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(huì)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(huì)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(duì)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(huì)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(duì)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(cè)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(duì)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(duì)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(duì)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(jí)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(cè)器 INA213 測(cè)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(dòng)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(cè)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(cè)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(huì)下降，而 Vout 則會(huì)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?qǐng)D 4變化。
 

圖 4：壓降補(bǔ)償

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使用汽車中央控制臺(tái) 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(tái)。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(tái) USB 充電端口方框圖
 

圖 6是汽車中央控制臺(tái) 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加诖恕榱舜_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(duì)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(tái) 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)膲航担@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)。