如果現有電源設計可輕鬆擴展，能夠補償已知線纜及開關在負載條件下的壓降，那該多好啊!本文將介紹適用於幾乎所有電源設計(其中反饋分壓器可用)的解決方案。為了幫助設計，以應用手冊的形式設定和介紹了各種計算。本文內容建立在汽車中央控製台 USB 充電端口的具體實例基礎之上
，其主要通過位於儀表盤某處的電子設備供電。要為移動數字設備充電

，USB 電流容量必須達到 2A 或以上。不過，嚴格的 USB 端口電源電壓限製通常會與使用低成本細線纜直接產生矛盾，其必須克服巨大壓降的問題。

 

圖 1：真正的等效電路圖

 

根據圖 1 給出的真正等效電路圖，我們可以看到係統壓降情況。電壓 Vload 取決於電流 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的一切組件都必須考慮。Vload 會相應降低。圖 2 就是這種特征。

圖 2：壓降

 

如果Rdrop已知，而且在係統中是固定的
，那麼用以下方法就可修改電源，補償壓降，使 Vload 保持恒定。

 

使用汽車中央控製台 USB 端口(圖 3)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，位於汽車儀表盤中。USB 端口是無源實施方案
，位於通過 3m 線纜連接的中央控製台。要降低成本與重量，線纜的電線直徑或橫截麵需要最小化。

圖 3：汽車中央控製台 USB 充電端口方框圖

 

圖 4 是汽車中央控製台 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於此。為了確保適當電荷順利通過，需要 USB 充電端口控製器和電源開關。TPS2546-Q1 (http://www.ti.com/product/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

，重點針對開關、連接器以及電線為不必要壓降添加的阻抗。

圖 4：汽車中央控製台 USB 端口的等效電路

 

USB 端口的壓降問題
 

根據 USB 的定義，VBus 電壓限製是 4.75V 和 5.25V。要處理最大電流下的壓降問題
，DC/DC 轉換器的輸出應設為最大電壓。假設誤差精度為 2%，那麼最大容許額定電壓為 5.19V 就不會超過 5.25V 的最大值。根據容差可得出


，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。快速充電需要 2.1A 的電流。查看 USB 充電端口控製器與電源開關 TPS2546-Q1 的產品說明書並考慮整個溫度範圍內的最差情況
，我們發現 120m 電源開關的 RDSon 會帶來 252mV 的進一步壓降。從最初的 390mV 視窗減去之後，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，我們發現線纜和連接器還剩 66m。根據這一點以及針對電線可計算出的銅質電阻係數，我們可得出 2 平方毫米橫截麵不僅很大、成本高，而且重量也大。此外，這種電線的額定電流大約為 30A。

 

如圖 5 所示
，用電流分流監測器 INA213 測量電流可實施壓降補償。電壓輸出 Vcs 通過 Rm 反饋至轉換器的反饋電阻器網絡。轉換器塊 P1 說明了控製環路非常基本的原理。反饋 FB 好比參考電壓，而 Vout 通過致動器方案調節
，這裏 FB 就是 VREF。因此，反饋電壓 FB 可視為恒定，而且等於轉換器的 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，那麼電流分流監測器的輸出電壓 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果。

圖 5：INA213 壓降補償

 

采用這種實施方案
，電源特性將按照圖 6 變化。

圖 6：壓降補償

 

 

對於本應用來說
，可使用 INA21x 係列中的 INA213A-Q1 (http://www.ti.com/product/ina213a-q1)。這些都是實施壓降補償非常適合的器件。它支持高側電流測量，提供可擴展供電電壓範圍的共模範圍。因此 V+ 可直接連接至 Vout。此外，雙向特性對實現輸出所需的負極特性也很重要。增加零漂移技術後，這些器件可提供出色的準確度，失調電壓可低至 35V(最大值
，INA210)。這可在滿流程下實現 10mV 的分流壓降
，從而可實現極低電阻的電流分流。對於不同負載電流而言，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。對於汽車中央控製 USB 端口充電器實例來說，必須符合汽車級質量要求，該係列就支持這一點。

 

 

 

適當補償壓降的前提條件是了解壓降電阻 Rdrop。根據圖 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的壓降，這主要使用 Rdrop 及最大負載電流按照歐姆定律計算。

 

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絡。

圖 7：反饋分壓器網絡

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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存在於電源設計中的值，因為這有助於確保網絡穩定性。轉換器的反饋電壓 Vfb 可在穩壓器產品說明書中找到。這樣我們可手動或用數學工具解算線性係統方程式，結果就是 G1 和 GM 電導值。反過來，其結果就是 R1 和 RM。

 

 

如果係統中的壓降電阻是恒定的，則可補償電源線壓降。電源可通過雙向高側電流分流監測器進行修改，從而可在 Iload 增加時提升 Vout。隻需對現有專用電源進行少量修改即可。我們還可使用基於 SPICE 的免費模擬仿真程序 Tina-TI 進行仿真。此外，還提供有設計套件和評估板。