针对压降补偿扩展电源的方案设计

USB 端口的压降问题

根据 USB 的定义，VBus 电压限制是 4.75V 和 5.25V。要处理最大电流下的压降问题，DC/DC 转换器的输出应设为最大电压。假设误差精度为 2%，那么最大容许额定电压为 5.19V 就不会超过 5.25V 的最大值。根据容差可得出，最小电压为 5.14V。我们必须考虑到以下问题：最小 Vout 电压 5.14V 减去最小 VBus 电压 4.75V，意味着 390mV 就是我们留下的容限，这也是可接受的总体压降。快速充电需要 2.1A 的电流。查看 USB 充电端口控制器与电源开关 TPS2546-Q1 的产品说明书并考虑整个温度范围内的最差情况，我们发现 120m 电源开关的 RDSon 会带来 252mV 的进一步压降。从最初的 390mV 视窗减去之后，我们得到线缆和连接器的压降容限为 138mV。将 2.1A 电流带入欧姆定律，我们发现线缆和连接器还剩 66m。根据这一点以及针对电线可计算出的铜质电阻系数，我们可得出 2 平方毫米横截面不仅很大、成本高，而且重量也大。此外，这种电线的额定电流大约为 30A。

电源线与连接器上的压降

图 1：真正的等效电路图

根据图 1 给出的真正等效电路图，我们可以看到系统压降情况。电压 Vload 取决于电流 Iload、电路电阻 Rwire 和连接器电阻 Rcon。从根本上讲，附加开关等与电源线串联的一切组件都必须考虑。Vload 会相应降低。图 2 就是这种特征。

如果Rdrop已知，而且在系统中是固定的，那么用以下方法就可修改电源，补偿压降，使 Vload 保持恒定。

双向电流分流监测器

对于本应用来说，可使用 INA21x 系列中的 INA213A-Q1 。这些都是实施压降补偿非常适合的器件。它支持高侧电流测量，提供可扩展供电电压范围的共模范围。因此 V+ 可直接连接至 Vout。此外，双向特性对实现输出所需的负极特性也很重要。增加零漂移技术后，这些器件可提供出色的准确度，失调电压可低至 35V(最大值，INA210)。这可在满流程下实现 10mV 的分流压降，从而可实现极低电阻的电流分流。对于不同负载电流而言，可提供各种固定的增益类型。静电电流不仅可低至 100A(最大值)，而且还采用小型 SC70 或 THIN QFN 封装。对于汽车中央控制 USB 端口充电器实例来说，必须符合汽车级质量要求，该系列就支持这一点。

实施压降补偿

图 4：压降补偿

汽车中央控制台 USB 端口充电器实例

使用汽车中央控制台 USB 端口(图 5)的实例，可演示补偿需求。信息娱乐主机设备包含各种电子元件，位于汽车仪表盘中。USB 端口是无源实施方案，位于通过 3m 线缆连接的中央控制台。要降低成本与重量，线缆的电线直径或横截面需要最小化。

图 5：汽车中央控制台 USB 充电端口方框图

图 6是汽车中央控制台 USB 充电端口的等效电路。电源保持恒定 Vout 电压，因为反馈电阻分压器可参考于此。为了确保适当电荷顺利通过，需要 USB 充电端口控制器和电源开关。TPS2546-Q1 在 D+/D 线路上提供电气签名，支持各种充电方案。开关与电源线串联，重点针对开关、连接器以及电线为不必要压降添加的阻抗。

图 6：汽车中央控制台 USB 端口的等效电路

组件的尺寸与计算

压降电阻的前提条件与工作点

适当补偿压降的前提条件是了解压降电阻 Rdrop。根据图 1 所示，Rdrop 包括输出电压与电压必须保持恒定的连接点之间的所有电阻。也就是电线、连接器和开关等。因此，第一步就是计算需要补偿的压降，这主要使用 Rdrop 及最大负载电流按照欧姆定律计算。

反馈分压器网络

有了电流传感输出的公式，下一步就是使用以下公式计算反馈分压器网络。

图 7：反馈分压器网络

根据基尔霍夫定律：

Vcs1 和 Vcs2 可通过方程式 4 确定。请选择 R2 的值。最佳实践是选择已经存在于电源设计中的值，因为这有助于确保网络稳定性。转换器的反馈电压 Vfb 可在稳压器产品说明书中找到。这样我们可手动或用数学工具解算线性系统方程式，结果就是 G1 和 GM 电导值。反过来，其结果就是 R1 和 RM。