通過任意長(zhǎng)度的銅線控制遠(yuǎn)端負(fù)載的電壓

Philip Karantzalis

在功率分配系統(tǒng)中，由于穩(wěn)壓器和負(fù)載之間的電纜 / 導(dǎo)線壓降而產(chǎn)生穩(wěn)壓?jiǎn)栴}是很常見。導(dǎo)線電阻、電纜長(zhǎng)度或負(fù)載電流的任何增加都會(huì)使配電線上的壓降增大，從而擴(kuò)大負(fù)載上的實(shí)際電壓與穩(wěn)壓器所獲電壓之間的差異。改善長(zhǎng)電纜線路上穩(wěn)壓能力的一種方法是通過在穩(wěn)壓器和負(fù)載之間采用四線式開爾文 (Kelvin) 連接，直接地在負(fù)載上測(cè)量電壓。不幸的是，這種解決方案需要額外導(dǎo)線布設(shè)至負(fù)載以及在靠近負(fù)載增設(shè)開爾文電阻器，因此當(dāng)無法接近負(fù)載進(jìn)行相應(yīng)的變更時(shí)，其就變得不可行。另一種方法則是采用大直徑的導(dǎo)線 (從而降低穩(wěn)壓器到負(fù)載之間的電阻) 以較大限度地減小電壓降。這種做法雖然在電氣方面十分簡(jiǎn)單，但是從機(jī)械的角度來說卻會(huì)很復(fù)雜。增大電纜芯線的尺寸會(huì)顯著地增加空間要求和成本。

另一種用于替代增設(shè)附加配線的方案是利用 LT6110?電纜 / 導(dǎo)線壓降補(bǔ)償器，以對(duì)穩(wěn)壓器上的壓降實(shí)施補(bǔ)償，而無需在穩(wěn)壓器和負(fù)載之間排布額外的電纜 / 配線。本文將說明 LT6110 怎樣對(duì)多種不同的“穩(wěn)壓器至負(fù)載”壓降作出補(bǔ)償以改善穩(wěn)壓。

LT6110 電纜 / 導(dǎo)線補(bǔ)償器

圖 1 示出了單線式補(bǔ)償方框圖。如果遠(yuǎn)端負(fù)載電路未共享穩(wěn)壓器的地，則需要兩根導(dǎo)線，一根導(dǎo)線連接至負(fù)載，另一根則是接地回線。LT6110 高壓側(cè)放大器通過測(cè)量檢測(cè)電阻器 RSENSE 兩端的電壓 VSENSE 來檢測(cè)負(fù)載電流，并輸出一個(gè)與負(fù)載電流 ILOAD 成比例的電流 IIOUT?？衫?RIN 電阻設(shè)置 IIOUT 在 10μA 至 1mA 之間。電纜 / 導(dǎo)線壓降 VDROP 補(bǔ)償是通過經(jīng)由 RFA 反饋電阻器吸收 IIOUT 以增加穩(wěn)壓器的輸出來實(shí)現(xiàn)，而增量則等于 VDROP。LT6110 電纜 / 導(dǎo)線壓降補(bǔ)償設(shè)計(jì)很簡(jiǎn)單：設(shè)定 IIOUT ? RFA 的乘積等于最大電纜 / 導(dǎo)線壓降。

圖 1：無需額外的導(dǎo)線即可補(bǔ)償至一個(gè)遠(yuǎn)端負(fù)載的導(dǎo)線壓降

LT6110 包括一個(gè)內(nèi)部 20mΩ RSENSE，適合高至 3A 的負(fù)載電流；對(duì)于大于 3A 的 ILOAD 則需要使用一個(gè)外部 RSENSE。該外部 RSENSE 可以是一個(gè)檢測(cè)電阻、一個(gè)電感器的 DC 電阻或一個(gè) PCB 走線電阻。除了 IIOUT 吸收電流之外，LT6110 IMON 引腳還提供了一個(gè)供電電流 IMON，用以補(bǔ)償如 LT3080?等參考于電流的線性穩(wěn)壓器。

補(bǔ)償降壓型穩(wěn)壓器的電纜壓降

圖 2 示出了一個(gè)完整的電纜 / 導(dǎo)線壓降補(bǔ)償系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一個(gè) 3.3V、5A 降壓型穩(wěn)壓器和一個(gè) LT6110 組成，其用于調(diào)節(jié)一個(gè)通過 20 英尺之 18 AWG 銅線連接的遠(yuǎn)端負(fù)載電壓。降壓型穩(wěn)壓器的 5A 輸出需要使用一個(gè)外部 RSENSE。

圖 2：高電流遠(yuǎn)端負(fù)載調(diào)節(jié)實(shí)例：一個(gè)具有 LT6110 電纜 / 導(dǎo)線壓降補(bǔ)償功能電路的 3.3V、5A 降壓型穩(wěn)壓器

流過 140mΩ 導(dǎo)線電阻和 25mΩ RSENSE 的最大 5A ILOAD 將產(chǎn)生一個(gè) 825mV 壓降。對(duì)于 0A ≤ ILOAD ≤ 5A，如要調(diào)節(jié)負(fù)載電壓 VLOAD，那么 IIOUT ? RFA 必須等于 825mV。這有兩種設(shè)計(jì)選項(xiàng)：選擇 IIOUT 并計(jì)算 RFA 電阻器阻值，或者針對(duì)非常低的電流來設(shè)計(jì)穩(wěn)壓器的反饋電阻并計(jì)算 RIN 電阻器阻值以設(shè)定 IIOUT。通常情況下，IIOUT 被設(shè)定為 100μA (IIOUT 誤差在 30μA 至300μA 范圍為 ±1%)。在圖 2 所示的電路中，反饋通路電流為 6μA (VFB/200k)，RFA 電阻為 10k，而且必須計(jì)算 RIN 電阻器的阻值以設(shè)定 IIOUT ? RFA = 825mV。

如果沒有電纜 / 導(dǎo)線壓降補(bǔ)償，那么負(fù)載電壓中的最大變化量 ΔVLOAD 可達(dá) 700mV (5 ? 140mΩ)，也就是說：對(duì)于一個(gè) 3.3V 輸出，誤差為 21.2%。LT6110 在 25°C 時(shí)可將 ΔVLOAD 減小至僅為 50mV，即誤差為 1.5%。負(fù)載調(diào)節(jié)性能的改善幅度達(dá)到了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

精準(zhǔn)負(fù)載調(diào)節(jié)

利用 LT6110 實(shí)現(xiàn)負(fù)載調(diào)節(jié)的適度改善并不需要進(jìn)行準(zhǔn)確的 RWIRE 估算。負(fù)載調(diào)節(jié)誤差是兩個(gè)誤差的結(jié)果：由于電纜 / 導(dǎo)線電阻引起的誤差和源自 LT6110 補(bǔ)償電路的誤差。例如：當(dāng)采用圖 2 所示電路時(shí)，即使 RSENSE 和 RWIRE 的計(jì)算誤差為 25%，LT6110 仍可將 VLOAD 誤差減小至 6.25%。

如欲實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的負(fù)載調(diào)節(jié)，則需準(zhǔn)確地估算電源與負(fù)載之間的電阻。倘若準(zhǔn)確地估算了 RWIRE、RSENSE 以及與導(dǎo)線相串聯(lián)的電纜芯線和 PCB 走線的電阻，則 LT6110 能夠?qū)Χ喾N不同的壓降實(shí)施高精度補(bǔ)償。

利用 LT6110、準(zhǔn)確的 RWIRE 估算和精準(zhǔn)的 RSENSE 可減小 ΔVLOAD 補(bǔ)償誤差，以在采用任意長(zhǎng)度的導(dǎo)線情況下與穩(wěn)壓器的電壓誤差相匹配。

結(jié)論

LT6110 電纜 / 導(dǎo)線壓降補(bǔ)償器可改善遠(yuǎn)端負(fù)載的電壓調(diào)節(jié)，在這里，如果未實(shí)施壓降補(bǔ)償，則高電流、長(zhǎng)電纜線路和電阻將會(huì)顯著地影響穩(wěn)壓能力。無需增設(shè)檢測(cè)導(dǎo)線、購(gòu)買開爾文電阻器、使用更多的銅或部署負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器 (這些都是其他解決方案的常見缺陷) 即可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)。與此相反，補(bǔ)償器解決方案不僅所需的空間極小，同時(shí)還可較大限度地降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和組件成本。

審核編輯：郭婷