防止由電源線引起的電壓波動

作者: ADI 電源管理部現場應用工程師


當採用降壓型穩壓器或線性穩壓器電源時,一般是將電壓調節為設定值來為負載供電。在一些應用中 (例如,實驗室電源或需採用較長電纜連線各種元件的電子系統),由於互連線上存在各種壓降,因此無法確保在所需位置點始終提供準確的穩壓電壓。控制精度取決於許多參數。一個是負載需要連續恒定電流時的直流電壓精度。另一個是生成電壓的交流精度,這取決於生成的電壓如何隨負載瞬變而變化。影響直流電壓精度的因素包括所需的基準電壓 (可能是一個電阻分壓器)、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鍵因素包括所選的功率等級、後備電容以及控制迴路的架構與設計。

然而,除了所有這些會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載空間分離,則在穩壓電壓和需要電能的位置之間將存在壓降。該壓降取決於穩壓器和負載之間的電阻。它可能是具備插頭觸點的電纜、或是電路板上的較長佈線。

圖 1 顯示電源和負載之間存在電阻。可以透過略微提高電源生成的電壓,來補償該電阻上的電壓損耗。不幸的是,線路電阻上產生的電壓降取決於負載電流,即流過線路的電流。相較於低電流,高電流會導致更高的電壓降。因此,負載由精度相當低的調節電壓供電,而調節電壓取決於線路電阻和相應的電流。

圖 1.穩壓器與相關負載之間的物理距離。

對於這個問題,事實上早已有了解決方案。可與實際連線並聯,額外增加一對連接。採用開爾文檢測線測量電子負載側的電壓。在圖 1 中,這些額外的線路顯示為紅色。然後將這些測量值整合到電源側的電源電壓控制中。這種方式很有效,但缺點是需要額外的檢測引線。由於無需承載高電流,這類引線的直徑通常非常小。然而,在連接電纜中設置測量線以獲得更高的電流會帶來額外的工作量和更高的成本。

無需額外的一對檢測引線,也可以對電源和負載之間連接線上的電壓降進行補償。對於一些電纜佈線複雜、成本高昂並且所產生的 EMC 干擾很容易耦合到電壓測試引線的應用而言,這一點特別有意義。第二種方案是使用 LT6110 這類專用線路壓降補償 IC。將此 IC 插入電壓發生側,並測量進入連接線之前的電流。然後根據測得的電流來調節電源的輸出電壓,從而能夠非常精確地調節負載側電壓,而不用考慮負載電流。

圖 2.利用 LT6110 調節電源輸出電壓,以補償連接線上的電壓降。

採用 LT6110 這類元件,就可以根據相應的負載電流來調節電源電壓;不過,進行這種調節需要瞭解線路電阻相關資訊。大多數應用都會提供此資訊。如果在元件之使用壽命期間,將連接線更換成更長或更短的連接線,則還必須對採用 LT6110 實現的電壓補償進行相應調整。

如果在元件工作期間線路電阻可能會發生變化,可使用 LT4180 這類元件,在負載側具有輸入電容時,透過交流訊號對連接線電阻進行虛擬預測,從而為負載端提供高精度電壓。

圖 3 顯示了一個採用 LT4180 的應用,其中傳輸線路的電阻未知。線路輸入電壓根據相應的線路電阻進行調節。使用 LT4180,無需開爾文檢測線路,只需逐步改變線路電流並測量相應的電壓變化即可實現電壓調節。利用測量結果確定未知線路中的電壓損耗。根據電壓損耗資訊實現 DC/DC 轉換器輸出電壓的最佳調節。

圖 3.使用 LT4180 對線路進行虛擬遠端測量。

只要負載側的節點具有低交流阻抗,這種測量方式就很有效。在許多應用中都有效,因為長連接線之後的負載需要一定量的能量儲存。由於阻抗低,可以對 DC/DC 轉換器的輸出電流進行調節,並透過測量連接線前側的電壓來確定線路電阻。

能否獲得穩定的電源電壓不僅與電壓轉換器本身有關,而且與負載的電源線也有關。

結論

透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,也可以使用積體電路來補償線路上的電壓降,無需開爾文檢測線。如果開爾文檢測線的成本太高,或者必須使用現有線路,且沒有額外的檢測線,這種方案會很有用。利用這些設計技巧,可以很容易實現更高的電壓精度。

Author

Frederik Dostal

Frederik Dostal

Frederik Dostal studied microelectronics at the University of Erlangen in Germany. Starting work in the power management business in 2001, he has been active in various applications positions including four years in Phoenix, Arizona, working on switch mode power supplies. He joined Analog Devices in 2009 and works as a Field Application Engineer for Power Management at Analog Devices in München.