TI专家教你如何针对压降补偿扩展电源？

如果现有电源设计可轻松扩展，能够补偿已知线缆及开关在负载条件下的压降，那该多好啊!本文将介绍适用于几乎所有电源设计(其中反馈分压器可用)的解决方案。

如果现有电源设计可轻松扩展，能够补偿已知线缆及开关在负载条件下的压降，那该多好啊!本文将介绍适用于几乎所有电源设计(其中反馈分压器可用)的解决方案。为了帮助设计，以应用手册的形式设定和介绍了各种计算。本文内容建立在汽车中央控制台 USB 充电端口的具体实例基础之上，其主要通过位于仪表盘某处的电子设备供电。要为移动数字设备充电，USB 电流容量必须达到 2A 或以上。不过，严格的 USB 端口电源电压限制通常会与使用低成本细线缆直接产生矛盾，其必须克服巨大压降的问题。

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。

图 2：压降如果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。

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 3)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 3：汽车中央控制台 USB 充电端口方框图图 4 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 (http://www.ti.com/product/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 4：汽车中央控制台 USB 端口的等效电路

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。

实施压降补偿

如图 5 所示，用电流分流监测器 INA213 测量电流可实施压降补偿。电压输出 Vcs 通过 Rm 反馈至转换器的反馈电阻器网络。转换器块 P1 说明了控制环路非常基本的原理。反馈 FB 好比参考电压，而 Vout 通过致动器方案调节，这里 FB 就是 VREF。因此，反馈电压 FB 可视为恒定，而且等于转换器的 VREF，其可用作所有计算的基础。通过分流电阻器 Rs 的负载电流 Iload 的反向测量是应用的关键。如果在负载电流 Iload 上升时要让 Vout 上升，那么电流分流监测器的输出电压 Vcs 就需要降低。在空载条件下 Vcs 是 VREF。如果负载提升，Vcs 会下降，而 Vout 则会相应上升。这正是我们想要的结果。

图 5：INA213 压降补偿采用这种实施方案，电源特性将按照图 6 变化。

图 6：压降补偿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 (http://www.ti.com/product/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。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。<上一页1234下一页>

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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。

结论

如果系统中的压降电阻是恒定的，则可补偿电源线压降。电源可通过双向高侧电流分流监测器进行修改，从而可在 Iload 增加时提升 Vout。只需对现有专用电源进行少量修改即可。我们还可使用基于 SPICE 的免费模拟仿真程序 Tina-TI 进行仿真。此外，还提供有设计套件和评估板。