根據(jù) USB 的定義，VBus 電壓限制是 4.75V 和 5.25V。要處理最大電流下的壓降問題，DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸出應(yīng)設(shè)為最大電壓。假設(shè)誤差精度為 2%，那么最大容許額定電壓為 5.19V 就不會超過 5.25V 的最大值。根據(jù)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 充電端口控制器與電源開關(guān) TPS2546-Q1 的產(chǎn)品說明書并考慮整個(gè)溫度范圍內(nèi)的最差情況，我們發(fā)現(xiàn) 120m 電源開關(guān)的 RDSon 會帶來 252mV 的進(jìn)一步壓降。從最初的 390mV 視窗減去之后，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(fā)現(xiàn)線纜和連接器還剩 66m。根據(jù)這一點(diǎn)以及針對電線可計(jì)算出的銅質(zhì)電阻系數(shù)，我們可得出 2 平方毫米橫截面不僅很大、成本高，而且重量也大。此外，這種電線的額定電流大約為 30A。

 

 

圖 1：真正的等效電路圖
 

根據(jù)圖 1 給出的真正等效電路圖，我們可以看到系統(tǒng)壓降情況。電壓 Vload 取決于電流 Iload、電路電阻 Rwire 和連接器電阻 Rcon。從根本上講，附加開關(guān)等與電源線串聯(lián)的一切組件都必須考慮。Vload 會相應(yīng)降低。圖 2 就是這種特征。

 

圖 2：壓降
 

如果Rdrop已知，而且在系統(tǒng)中是固定的，那么用以下方法就可修改電源，補(bǔ)償壓降，使 Vload 保持恒定。

 

 

對于本應(yīng)用來說，可使用 INA21x 系列中的 INA213A-Q1 。這些都是實(shí)施壓降補(bǔ)償非常適合的器件。它支持高側(cè)電流測量，提供可擴(kuò)展供電電壓范圍的共模范圍。因此 V+ 可直接連接至 Vout。此外，雙向特性對實(shí)現(xiàn)輸出所需的負(fù)極特性也很重要。增加零漂移技術(shù)后，這些器件可提供出色的準(zhǔn)確度，失調(diào)電壓可低至 35V(最大值，INA210)。這可在滿流程下實(shí)現(xiàn) 10mV 的分流壓降，從而可實(shí)現(xiàn)極低電阻的電流分流。對于不同負(fù)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。對于汽車中央控制 USB 端口充電器實(shí)例來說，必須符合汽車級質(zhì)量要求，該系列就支持這一點(diǎn)。

 

 

如圖 3所示，用電流分流監(jiān)測器 INA213 測量電流可實(shí)施壓降補(bǔ)償。電壓輸出 Vcs 通過 Rm 反饋至轉(zhuǎn)換器的反饋電阻器網(wǎng)絡(luò)。轉(zhuǎn)換器塊 P1 說明了控制環(huán)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(diào)節(jié)，這里 FB 就是 VREF。因此，反饋電壓 FB 可視為恒定，而且等于轉(zhuǎn)換器的 VREF，其可用作所有計(jì)算的基礎(chǔ)。通過分流電阻器 Rs 的負(fù)載電流 Iload 的反向測量是應(yīng)用的關(guān)鍵。如果在負(fù)載電流 Iload 上升時(shí)要讓 Vout 上升，那么電流分流監(jiān)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(fù)載提升，Vcs 會下降，而 Vout 則會相應(yīng)上升。這正是我們想要的結(jié)果。
 

圖 3：INA213 壓降補(bǔ)償
 

采用這種實(shí)施方案，電源特性將按照圖 4變化。
 

圖 4：壓降補(bǔ)償

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使用汽車中央控制臺 USB 端口(圖 5)的實(shí)例，可演示補(bǔ)償需求。信息娛樂主機(jī)設(shè)備包含各種電子元件，位于汽車儀表盤中。USB 端口是無源實(shí)施方案，位于通過 3m 線纜連接的中央控制臺。要降低成本與重量，線纜的電線直徑或橫截面需要最小化。
 

圖 5：汽車中央控制臺 USB 充電端口方框圖
 

圖 6是汽車中央控制臺 USB 充電端口的等效電路。電源保持恒定 Vout 電壓，因?yàn)榉答侂娮璺謮浩骺蓞⒖加诖?。為了確保適當(dāng)電荷順利通過，需要 USB 充電端口控制器和電源開關(guān)。TPS2546-Q1  在 D+/D 線路上提供電氣簽名，支持各種充電方案。開關(guān)與電源線串聯(lián)，重點(diǎn)針對開關(guān)、連接器以及電線為不必要壓降添加的阻抗。
 

圖 6：汽車中央控制臺 USB 端口的等效電路

 

 

適當(dāng)補(bǔ)償壓降的前提條件是了解壓降電阻 Rdrop。根據(jù)圖 1 所示，Rdrop 包括輸出電壓與電壓必須保持恒定的連接點(diǎn)之間的所有電阻。也就是電線、連接器和開關(guān)等。因此，第一步就是計(jì)算需要補(bǔ)償?shù)膲航?，這主要使用 Rdrop 及最大負(fù)載電流按照歐姆定律計(jì)算。

 

 

有了電流傳感輸出的公式，下一步就是使用以下公式計(jì)算反饋分壓器網(wǎng)絡(luò)。