如何针对压降补偿扩展电源

　　德州仪器模拟高级现场应用工程师 Carsten Thiele 介绍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。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。
　　


　　显然，空载情况下没有压降。这就为我们提供了第一个工作点 OP1。
　　OP1：
　　


　　第二个工作点 OP2 可在最大系统负载下确定。
　　OP2：
　　


　　电流传感
　　负载电流 Iload 可使用分流电阻器 Rshunt 确定，并可使用差分放大器放大。如图 5 INA213 压降补偿所示，电流按负方向传感。因此电流传感放大器 Vcs 的电压输出可按方程式 4 计算：
　　


　　VREFcs 源于通过 R3 和 R4 分压器的 Vout，可按照方程式 5 进行计算：
　　


　　要充分发挥 OP1 全面线性摆幅的优势，VREFcs 应设为低于电流分流监测器的上摆幅限制。根据 INA213(V+)-0.2V 的产品说明书，应相应选择 R3 和 R4。
　　现在选择适当的电流分流监测器可得到 GAIN，结合这一点，就可根据方程式 6 和 OP2 计算出分流电阻器，得出最小输出的最大负载电流。对于 Vcs2 而言，需要考虑较低摆幅电流分流监测器的限制。请参见 INA213 (VGND)+0.05V 的产品说明书。
　　


　　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：
　　


　　在方程式 7 中代入方程式 8、9、10：
　　


　　复位方程式 11，用电导系数替换电阻：
　　


　　线性系统方程式
　　方程式 12 目前为进一步制定线性系统方程式奠定了坚实的基础，可通过两个工作点(提供 OP1 和 OP2 的系统电流极值)进行定义。方程式 13 代表采用矩阵符号表示的线性系统方程式。
　　


　　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 (http://www.ti.com/tool/tina-ti) 进行仿真。此外，还提供有设计套件和评估板。
　　参考文献
　　汽车 USB 充电端口电源开关与控制器 http://www.ti.com/product/tps2546-q1
　　双向零漂移电流分流监测器http://www.ti.com/product/ina213a-q1
　　基于 SPICE 的模拟仿真程序http://www.ti.com/tool/tina-ti