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針對壓降補償擴展電源的方案設計

發(fā)布時間:2014-10-11 責任編輯:echolady

【導讀】本文詳細介紹了以汽車中央控制臺 USB 充電端口為基礎,通過位于儀表盤某處的電子設備供電的設計。只有USB電流容量達到2A及以上才能給移動數(shù)字設備充電,但是USB端口電源電壓限制會與低成本細線纜有矛盾,因此設計過程中必須克服壓降問題。

USB 端口的壓降問題
 
根據(jù) USB 的定義,VBus 電壓限制是 4.75V 和 5.25V。要處理最大電流下的壓降問題,DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸出應設為最大電壓。假設誤差精度為 2%,那么最大容許額定電壓為 5.19V 就不會超過 5.25V 的最大值。根據(jù)容差可得出,最小電壓為 5.14V。我們必須考慮到以下問題:最小 Vout 電壓 5.14V 減去最小 VBus 電壓 4.75V,意味著 390mV 就是我們留下的容限,這也是可接受的總體壓降??焖俪潆娦枰?2.1A 的電流。查看 USB 充電端口控制器與電源開關 TPS2546-Q1 的產(chǎn)品說明書并考慮整個溫度范圍內(nèi)的最差情況,我們發(fā)現(xiàn) 120m 電源開關的 RDSon 會帶來 252mV 的進一步壓降。從最初的 390mV 視窗減去之后,我們得到線纜和連接器的壓降容限為 138mV。將 2.1A 電流帶入歐姆定律,我們發(fā)現(xiàn)線纜和連接器還剩 66m。根據(jù)這一點以及針對電線可計算出的銅質(zhì)電阻系數(shù),我們可得出 2 平方毫米橫截面不僅很大、成本高,而且重量也大。此外,這種電線的額定電流大約為 30A。
 
電源線與連接器上的壓降
 
針對壓降補償擴展電源的方案設計
圖 1:真正的等效電路圖
 
根據(jù)圖 1 給出的真正等效電路圖,我們可以看到系統(tǒng)壓降情況。電壓 Vload 取決于電流 Iload、電路電阻 Rwire 和連接器電阻 Rcon。從根本上講,附加開關等與電源線串聯(lián)的一切組件都必須考慮。Vload 會相應降低。圖 2 就是這種特征。
 
針對壓降補償擴展電源的方案設計
圖 2:壓降
 
如果Rdrop已知,而且在系統(tǒng)中是固定的,那么用以下方法就可修改電源,補償壓降,使 Vload 保持恒定。
 
雙向電流分流監(jiān)測器
 
對于本應用來說,可使用 INA21x 系列中的 INA213A-Q1 。這些都是實施壓降補償非常適合的器件。它支持高側(cè)電流測量,提供可擴展供電電壓范圍的共模范圍。因此 V+ 可直接連接至 Vout。此外,雙向特性對實現(xiàn)輸出所需的負極特性也很重要。增加零漂移技術(shù)后,這些器件可提供出色的準確度,失調(diào)電壓可低至 35V(最大值,INA210)。這可在滿流程下實現(xiàn) 10mV 的分流壓降,從而可實現(xiàn)極低電阻的電流分流。對于不同負載電流而言,可提供各種固定的增益類型。靜電電流不僅可低至 100A(最大值),而且還采用小型 SC70 或 THIN QFN 封裝。對于汽車中央控制 USB 端口充電器實例來說,必須符合汽車級質(zhì)量要求,該系列就支持這一點。
 
實施壓降補償
 
如圖 3所示,用電流分流監(jiān)測器 INA213 測量電流可實施壓降補償。電壓輸出 Vcs 通過 Rm 反饋至轉(zhuǎn)換器的反饋電阻器網(wǎng)絡。轉(zhuǎn)換器塊 P1 說明了控制環(huán)路非?;镜脑?。反饋 FB 好比參考電壓,而 Vout 通過致動器方案調(diào)節(jié),這里 FB 就是 VREF。因此,反饋電壓 FB 可視為恒定,而且等于轉(zhuǎn)換器的 VREF,其可用作所有計算的基礎。通過分流電阻器 Rs 的負載電流 Iload 的反向測量是應用的關鍵。如果在負載電流 Iload 上升時要讓 Vout 上升,那么電流分流監(jiān)測器的輸出電壓 Vcs 就需要降低。在空載條件下 Vcs 是 VREF。如果負載提升,Vcs 會下降,而 Vout 則會相應上升。這正是我們想要的結(jié)果。
 
針對壓降補償擴展電源的方案設計
圖 3:INA213 壓降補償
 
采用這種實施方案,電源特性將按照圖 4變化。
 
針對壓降補償擴展電源的方案設計
圖 4:壓降補償
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汽車中央控制臺 USB 端口充電器實例
 
使用汽車中央控制臺 USB 端口(圖 5)的實例,可演示補償需求。信息娛樂主機設備包含各種電子元件,位于汽車儀表盤中。USB 端口是無源實施方案,位于通過 3m 線纜連接的中央控制臺。要降低成本與重量,線纜的電線直徑或橫截面需要最小化。
 
針對壓降補償擴展電源的方案設計
圖 5:汽車中央控制臺 USB 充電端口方框圖
 
圖 6是汽車中央控制臺 USB 充電端口的等效電路。電源保持恒定 Vout 電壓,因為反饋電阻分壓器可參考于此。為了確保適當電荷順利通過,需要 USB 充電端口控制器和電源開關。TPS2546-Q1  在 D+/D 線路上提供電氣簽名,支持各種充電方案。開關與電源線串聯(lián),重點針對開關、連接器以及電線為不必要壓降添加的阻抗。
 
針對壓降補償擴展電源的方案設計
圖 6:汽車中央控制臺 USB 端口的等效電路
 
組件的尺寸與計算

壓降電阻的前提條件與工作點
 
適當補償壓降的前提條件是了解壓降電阻 Rdrop。根據(jù)圖 1 所示,Rdrop 包括輸出電壓與電壓必須保持恒定的連接點之間的所有電阻。也就是電線、連接器和開關等。因此,第一步就是計算需要補償?shù)膲航?,這主要使用 Rdrop 及最大負載電流按照歐姆定律計算。
 
針對壓降補償擴展電源的方案設計
反饋分壓器網(wǎng)絡
 
有了電流傳感輸出的公式,下一步就是使用以下公式計算反饋分壓器網(wǎng)絡。
 
針對壓降補償擴展電源的方案設計
圖 7:反饋分壓器網(wǎng)絡
 
根據(jù)基爾霍夫定律:
 
針對壓降補償擴展電源的方案設計
 
Vcs1 和 Vcs2 可通過方程式 4 確定。請選擇 R2 的值。最佳實踐是選擇已經(jīng)存在于電源設計中的值,因為這有助于確保網(wǎng)絡穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)換器的反饋電壓 Vfb 可在穩(wěn)壓器產(chǎn)品說明書中找到。這樣我們可手動或用數(shù)學工具解算線性系統(tǒng)方程式,結(jié)果就是 G1 和 GM 電導值。反過來,其結(jié)果就是 R1 和 RM。

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