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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 1一体成型电感器：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。要处理大功率电感贴片电感器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 的产品说塑封电感器明书并考虑整个温度范围内的最差情况，我们发现 120m 电源开关的一体电感 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。

  实电感器的价格施压降补偿

  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。

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