如果現存的電源設計可輕鬆擴展，能夠補償已知電纜及開關在負載條件下的壓降，那該多好！本文將介紹幾乎適用於所有電源設計且相連反饋分頻器的解決方案。為幫助設計，以應用手冊的形式設定和介紹各種計算。
電源線與連接器上的壓降
本文探討汽車中控台USB充電接口的設計實例，其透過位於儀表盤某處的電子設備供電，要為行動數位裝置充電，USB電流容量必須達到2A或以上。然而，嚴格的USB接口電源電壓限制通常會與低成本細電纜相抵觸，產生巨大壓降問題。
根據圖1的實際等效電路圖，可以看到系統壓降情況。負載電壓(Vlload)取決於負載電流(Iload)、電路電阻(Rwire)和連接器電阻(Rcon)。基本上，附加開關等與電源線串聯的一切元件都必須考慮進來，負載電壓會相應降低，圖2示意此特徵。如果Rdrop已知，而且在系統中是固定的，那麼用以下方法就可修改電源、補償壓降，使負載電壓保持恆定。
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| 圖1 實際等效電路圖 |
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| 圖2 壓降特徵示意圖 |
使用汽車中控台USB接口(圖3)的實例來示範補償需求，資訊娛樂主機包含各種電子元件，位於汽車儀表板中，而USB接口是被動執行方案，透過3公尺的電纜線連接中央控制台。為降低成本與重量，電纜的電線直徑或橫截面需要最小化。
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| 圖3 汽車中控台USB充電接口方塊圖 |
圖4為汽車中控台USB充電接口的等效電路，由於反饋電阻分壓器參考於此，因此電源可保持恆定輸出電壓(VOUT)，而為確保適當電荷順利通過，需要USB充電接口控制器和電源開關。TPS2546-Q1在D+/D線路上提供電力辨識，支援各種充電方案。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阻抗。
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| 圖4 汽車中控台USB接口的等效電路 |
USB接口壓降問題
根據USB的定義，電壓匯流排(VBus)電壓限制為4.75和5.25伏特(V)，而為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。假設誤差精準度為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，根據容忍誤差可得出，最小電壓為5.14V。必須考慮到以下問題：最小輸出電壓5.14V減去最小電壓匯流排(VBus)，電壓4.75V，意味著390毫伏特(mV)就是留下的容限，也是可接受的總壓降。快速充電需要2.1安培(A)的電流，查閱USB充電接口控制器與電源開關TPS2546-Q1的產品說明書並考慮整個溫度範圍內最差情況，會發現120m電源開關的RDSon會帶來進一步的252mV壓降。從最初的390mV減去後，可以得到電纜和連接器的壓降容限剩138mV，再將2.1A電流帶入歐姆定律，就會發現電纜和連接器還剩66m。根據這一點以及針對電線可計算出的銅質電阻係數，可得出2mm2橫截面不僅很大、成本高，而且重，此外，這種電線的額定電流大約為30A。
實施壓降補償
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透過Rm反饋至轉換器的反饋電阻器網路。轉換器區塊P1說明控制環路非常基本的原理，反饋電壓回饋接腳(FB)好比參考電壓，而輸出電壓透過致動器方案調節，此時回饋接腳(FB)就是數位類比轉換器具類比參考(VREF)。
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| 圖5 INA213 壓降補償 |
因此，反饋電壓回饋接腳可視為恆定，而且等於轉換器的數位類比轉換器具類比參考，其可用作所有計算的基礎。通過分流電阻器串聯電阻(Rs)的負載電流反向測量是應用關鍵，如果在負載電流上升時要讓輸出電壓上升，那麼電流分流監測器的輸出電壓Vcs就需要降低。在零負載條件下Vcs為數位類比轉換器具類比參考，如果負載提升，Vcs會下降，而輸出電壓則會相應上升，這正是最後想要的結果。採用這種實施方案，電源特性將按照圖6變化。
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| 圖6 實施壓降補償電源特性變化。 |
雙向電流分流監測器
在此應用中，使用INA21x系列中的INA213A-Q1，這些都是非常適合實施壓降補償的裝置，其支援高側電流測量，提供可擴展供電電壓範圍的共模範圍，因此V+可直接連接至輸出電壓。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，這些裝置可提供出色的準確度，偏移電壓可低至35V(最大值，INA210)，這可在滿刻度下實現10mV的分流壓降，進而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，靜電流不僅可低至100A(最大值)，而且還採用小型SC70或THIN QFN封裝，對於汽車中控USB接口充電器實例來說，該系列也符合車用等級需求。
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。根據圖1所示，Rdrop包含輸出電壓與必須保持定電壓連接點間的所有電阻，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。
Vdrop–Rdrop*Iload
顯然，空載情況下沒有壓降，這為提供第一個工作點OP1。
OP1：Vout1–Voutnom | I = 0
第二個工作點OP2可在最大系統負載下確定。
OP2：Vout2=Voutnom+Vdrop | Imax
電流感測公式
負載電流可使用分流電阻器Rshount確定，並可使用差分放大器放大，如圖5的INA213壓降補償所示，電流按負方向感測。因此電流感測放大器Vcs的電壓輸出可由公式1計算：
Vcs=VREFcs–RshuntIloadGAIN ..........(1)
VREFcs源於通過R3和R4分壓器的Vout，可按照公式2進行計算：
...............(2)
要充分發揮OP1全面線性擺幅的優勢，VREFcs應設為低於電流分流監測器的上擺幅限制，根據INA213(V+)-0.2V的產品說明書，應相應選擇R3和R4。
現在選擇適當的電流分流監測器可得到GAIN，結合這一點就可根據公式3和OP2計算出分流電阻器，得出最小輸出的最大負載電流。對於Vcs2而言，須要考慮較低擺幅電流分流監測器的限制。
................(3)
反饋分壓器網路公式
有電流感測輸出的公式，下一步就是使用以下公式計算反饋分壓器網路，可參考公式4~7。
根據Kirchhoffs定律：
I1–I2 + IM = 0 ...................(4)
...................(5)
...................(6)
...................(7)
在公式4中帶入公式5、6、7：
...................(8)
復位公式9，用電導係數替換電阻：
...................(9)
線性系統方程式
公式9目前為進一步制定線性系統方程式奠定堅實的基礎，可透過兩個工作點(提供OP1和OP2的系統電流極值)進行定義。公式10代表採用矩陣符號表示的線性系統方程式。
...................(10)
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| 圖7 反饋分壓器網路 |
Vcs1和Vcs2可透過公式1求得，先選擇R2的值，最佳示範是選擇已經存在於電源設計中的值，因為這有助於確保網路穩定性。轉換器的反饋電壓Vfb可在穩壓器產品說明書中找到，如此一來，可手動或用數學工具解線性系統方程式，結果就是G1和GM電導值。反過來，其結果就是R1和RM。
如果系統中的壓降電阻是恆定的，則可補償電源線壓降，電源可透過雙向高側電流分流監測器進行修改，進而可在負載電流增加時提升輸出電壓，只須對現有專用電源進行少量修改即可。還可使用基於電路模擬的程式(SPICE)的免費類比模擬程序Tina-TI進行模擬，且還有提供設計套件和評估模組。
(本文作者任職於德州儀器)