Frederik Dostal

ADI 公司

當(dāng)采用降壓型穩(wěn)壓器或線性穩(wěn)壓器電源時(shí)，一般是將電壓調(diào)節(jié)為設(shè)定值來為負(fù)載供電。在一些應(yīng)用中 (例如，實(shí)驗(yàn)室電源或需采用較長電纜連接各種元件的電子系統(tǒng))，由于互連線上存在各種電壓降，因此無法確保在所需位置點(diǎn)始終提供準(zhǔn)確的穩(wěn)壓電壓。控制精度取決于許多參數(shù)。一個(gè)是負(fù)載需要連續(xù)恒定電流時(shí)的直流電壓精度。另一個(gè)是生成電壓的交流精度，這取決于生成的電壓如何隨負(fù)載瞬變而變化。影響直流電壓精度的因素包括所需的基準(zhǔn)電壓 (可能是一個(gè)電阻分壓器)、誤差放大器的行為以及電源的一些其他影響因素。影響交流電壓精度的關(guān)鍵因素包括所選的功率等級(jí)、后備電容以及控制環(huán)路的架構(gòu)與設(shè)計(jì)。

然而，除了所有這些會(huì)影響生成的電源電壓精度的因素以外，還必須考慮其他影響。如果電源與所需供電的負(fù)載空間分離，則在穩(wěn)壓電壓和需要電能的位置之間將存在電壓降。該電壓降取決于穩(wěn)壓器和負(fù)載之間的電阻。它可能是帶插頭觸點(diǎn)的電纜或電路板上的較長走線。

圖 1.穩(wěn)壓器與相關(guān)負(fù)載之間的物理距離。

圖 1 顯示電源和負(fù)載之間存在電阻。可以通過略微提高電源生成的電壓，來補(bǔ)償該電阻上的電壓損耗。不幸的是，線路電阻上產(chǎn)生的電壓降取決于負(fù)載電流，即流過線路的電流。相較于低電流，高電流會(huì)導(dǎo)致更高的電壓降。因此，負(fù)載由精度相當(dāng)?shù)偷恼{(diào)節(jié)電壓供電，而調(diào)節(jié)電壓取決于線路電阻和相應(yīng)的電流。

對(duì)于這個(gè)問題早就有了解決方案。可與實(shí)際連線并聯(lián)，額外增加一對(duì)連接。采用開爾文檢測線測量電子負(fù)載側(cè)的電壓。在圖 1 中，這些額外的線路顯示為紅色。然后將這些測量值整合到電源側(cè)的電源電壓控制中。這種方式很有效，但缺點(diǎn)是需要額外的檢測引線。由于無需承載高電流，這類引線的直徑通常非常小。然而，在連接電纜中設(shè)置測量線以獲得更高的電流會(huì)帶來額外的工作量和更高的成本。

無需額外的一對(duì)檢測引線，也可以對(duì)電源和負(fù)載之間連接線上的電壓降進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)于一些電纜布線復(fù)雜、成本高昂并且所產(chǎn)生的 EMC 干擾很容易耦合到電壓測試引線的應(yīng)用而言，這一點(diǎn)特別有意義。第二種方案是使用LT6110 這類專用線路壓降補(bǔ)償 IC。將此 IC 插入電壓發(fā)生側(cè)，并測量進(jìn)入連接線之前的電流。然后根據(jù)測得的電流來調(diào)節(jié)電源的輸出電壓，從而能夠非常精確地調(diào)節(jié)負(fù)載側(cè)電壓，而不用考慮負(fù)載電流。

圖 2.利用 LT6110 調(diào)節(jié)電源輸出電壓，以補(bǔ)償連接線上的電壓降。

采用 LT6110 這類元件，就可以根據(jù)相應(yīng)的負(fù)載電流來調(diào)節(jié)電源電壓；不過，進(jìn)行這種調(diào)節(jié)需要了解線路電阻相關(guān)信息。大多數(shù)應(yīng)用都會(huì)提供此信息。如果在器件的使用壽命期間，將連接線更換成更長或更短的連接線，則還必須對(duì)采用 LT6110 實(shí)現(xiàn)的電壓補(bǔ)償進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

如果在器件工作期間線路電阻可能會(huì)發(fā)生變化，可使用LT4180 這類元件，在負(fù)載側(cè)具有輸入電容時(shí)，通過交流信號(hào)對(duì)連接線電阻進(jìn)行虛擬預(yù)測，從而為負(fù)載端提供高精度電壓。

圖 3.使用 LT4180 對(duì)線路進(jìn)行虛擬遠(yuǎn)程測量。

圖 3 顯示了一個(gè)采用 LT4180 的應(yīng)用，其中傳輸線路的電阻未知。線路輸入電壓根據(jù)相應(yīng)的線路電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。使用 LT4180，無需開爾文檢測線路，只需逐步改變線路電流并測量相應(yīng)的電壓變化即可實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。利用測量結(jié)果確定未知線路中的電壓損耗。根據(jù)電壓損耗信息實(shí)現(xiàn) DC/DC 轉(zhuǎn)換器輸出電壓的最佳調(diào)節(jié)。

只要負(fù)載側(cè)的節(jié)點(diǎn)具有低交流阻抗，這種測量方式就很有效。在許多應(yīng)用中都有效，因?yàn)殚L連接線之后的負(fù)載需要一定量的能量存儲(chǔ)。由于阻抗低，可以對(duì) DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸出電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，并通過測量連接線前側(cè)的電壓來確定線路電阻。

能否獲得穩(wěn)定的電源電壓不僅與電壓轉(zhuǎn)換器本身有關(guān)，而且與負(fù)載的電源線也有關(guān)。

結(jié)論

通過額外配置開爾文檢測線可以提高所需的直流精度。除此之外，也可以使用集成電路來補(bǔ)償線路上的電壓降，無需開爾文檢測線。如果開爾文檢測線的成本太高，或者必須使用現(xiàn)有線路，且沒有額外的檢測線，這種方案會(huì)很有用。利用這些設(shè)計(jì)技巧，可以很容易實(shí)現(xiàn)更高的電壓精度。

作者簡介

Frederik Dostal 曾就讀于德國埃爾蘭根大學(xué)微電子專業(yè)。他的工作生涯始于 2001 年，從事電源管理業(yè)務(wù)，在不同的應(yīng)用職位上一直表現(xiàn)活躍，包括在亞利桑那州鳳凰城工作了四年，致力于開關(guān)模式電源的研發(fā)。他于 2009 年加入 Analog Devices 公司，現(xiàn)擔(dān)任 Analog Devices 公司電源管理部現(xiàn)場應(yīng)用工程師，工作地點(diǎn)位于德國慕尼黑。聯(lián)系方式：frederik.dostal@analog.com。