Управление напряжением на удаленной нагрузке по медным проводам любой длины

Linear Technology LT6110 LT3080 LT3976

Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2015

Philip Karantzalis, Linear Technology

Design Note 529

Введение

Общей проблемой систем распределенного питания является потеря качества регулирования, обусловленная падением напряжения на проводах, связывающих стабилизатор с нагрузкой. При любом увеличении сопротивления проводов, длины кабеля или тока нагрузки растет падение напряжения на подводящих проводах, увеличивающее разность между истинным напряжением на нагрузке и напряжением, воспринимаемым регулятором. Одним из способов повышения качества регулирования при длинных межблочных связях является непосредственное измерение напряжения в точке его потребления с использованием 4-проводного подключения Кельвина между регулятором и нагрузкой. К сожалению, при таком решении требуется прокладка к нагрузке дополнительных проводов, а также установка резистивного датчика возле нагрузки, что крайне сложно, когда нагрузка недоступна для вмешательства. Еще один метод заключается в минимизации падения напряжения путем использования соединительных медных проводов большего сечения. Электрически это очень просто, но механически может быть трудновыполнимо. Увеличение размеров кабелей требует дополнительного места для их прокладки, которого иногда может и не быть и, кроме того, приводит к росту стоимости системы.

Альтернативой дополнительным проводам является компенсация падения напряжения в линии непосредственно на регуляторе с помощью специально разработанной для этих целей микросхемы LT6110, не требующей использования дополнительных проводов. В этой статье показано, каким образом LT6110 может улучшить качество стабилизации, в широком диапазоне компенсировав напряжения, падающие на проводах между регулятором и нагрузкой.

Компенсатор падения напряжения в линии LT6110

На Рисунке 1 показана блок-схема, иллюстрирующая метод однопроводной компенсации. Если цепь удаленной нагрузки не имеет общей с регулятором земли, потребуются два провода: один к нагрузке и один для обеспечения пути протекания возвратного тока шины земли. Усилитель датчика тока положительной шины в микросхеме LT6110, измеряя падение напряжения VSENSE на резисторе RSENSE, генерирует ток IIOUT, пропорциональный току нагрузки ILOAD. Ток IIOUT программируется резистором RIN в диапазоне от 10 мкА до 1 мА. Компенсация напряжения VDROP, падающего на проводах, осуществляется путем генерации тока IIOUT, втекающего через резистор обратной связи RFA и увеличивающего выходное напряжение регулятора на величину, равную VDROP. Схема компенсации, основанная на микросхеме LT6110, исключительно проста; достаточно установить произведение IIOUT×RFA равным максимальному падению напряжения на проводе.

Управление напряжением на удаленной нагрузке по медным проводам любой длины
Рисунок 1. Для компенсации падения напряжения в линиях, идущих к удаленной нагрузке,
не нужны дополнительные провода.

LT6110 содержит внутренний токоизмерительный резистор RSENSE сопротивлением 20 мОм, рассчитанный на токи до 3 А. При токах, превышающих 3 А, потребуется внешний резистор RSENSE. В качестве RSENSE можно использовать резистор датчика тока, сопротивление постоянному току катушки индуктивности или сопротивление проводника печатной платы. В дополнение к втекающему току IIOUT, на выводе IMON микросхемы LT6110 можно получить вытекающий ток для компенсации линейных стабилизаторов с внутренними источниками опорного тока, таких, например, как LT3080.

Компенсация падения напряжения на проводах в схеме понижающего преобразователя

На Рисунке 2 изображена законченная система компенсации падения напряжения на проводах, состоящая из понижающего преобразователя 3.3 В/5 А и микросхемы LT6110, регулирующая напряжение на удаленной нагрузке, подключенной проводом длиной 6 м и сечением 0.82 мм2. Большой выходной ток регулятора (5 А) вынуждает использовать внешний токоизмерительный резистор RSENSE.

Управление напряжением на удаленной нагрузке по медным проводам любой длины
Рисунок 2. Пример регулирования сильноточной удаленной нагрузки:
понижающий преобразователь 3.3 В/5 А с компенсатором
падения напряжения линии LT6110.

Максимальный ток ILOAD, равный 5 А, протекая через провод сопротивлением 140 мОм и резистор RSENSE сопротивлением 25 мОм, создает падение напряжения 825 мВ. Для стабилизации напряжения нагрузки VLOAD в диапазоне токов нагрузки 0 A ≤ ILOAD ≤ 5 A произведение IIOUT×RFA должно равняться 825 мВ. Тут возможны два подхода: задаться током IIOUT и рассчитать сопротивление резистора RFA, или, выбрав большие сопротивления резисторов обратной связи, чтобы ток через них был минимальным, рассчитать сопротивление RIN, при котором IIOUT будет иметь требуемое значение. В типичном случае IIOUT выбирают равным 100 мкА, при этом ошибка IIOUT в диапазоне от 30 мкА до 300 мкА не превышает 1%. В схеме на Рисунке 2 ток в цепи обратной связи равен 6 мкА (VFB/200 кОм), RFA = 10 кОм, а значение сопротивления RIN рассчитывается таким, чтобы IIOUT×RFA = 825 мВ.

и

и

для RFA = 10 кОм, RSENSE = 25 мОм и RWIRE = 140 мОм получаем RIN = 1.5 кОм.

Без компенсации падения на проводах изменение ΔVLOAD напряжения на нагрузке составляло бы 700 мВ (5 × 140 мОм), что при выходном напряжении 3.3 В приводило бы к ошибке 21.2%. LT6110 при окружающей температуре 25 °C уменьшает ΔVLOAD до 50 мВ, что соответствует ошибке в 1.5%. Таким образом, качество регулирования улучшается на порядок.

Точная стабилизация выходного напряжения

Для случаев, когда достаточно невысокой точности регулирования выходного напряжения, знания точного значения RWIRE не требуется. Ошибка выходного напряжения является произведением двух ошибок: ошибки, вносимой сопротивлением кабеля и собственной ошибки цепи компенсации на микросхеме LT6110. Например, при использовании схемы на Рисунке 2, даже в случае, если ошибка расчета сопротивлений RSENSE и RWIRE составит 25%, результирующая ошибка VLOAD будет снижена микросхемой LT6110 до 6.25%.

Для высокоточной стабилизации напряжения требуется точная оценка величины сопротивления между источником питания и нагрузкой. Если достаточно правильно определить суммарную величину сопротивлений RWIRE, RSENSE, кабельных разъемов и дорожек печатной платы, LT6110 сможет компенсировать падения напряжений в более широком диапазоне и с большей степенью точности.

С помощью микросхемы LT6110, тщательно определив величину RWIRE и установив прецизионный резистор RSENSE, ошибку компенсации ΔVLOAD можно уменьшить при любой длине подводящих проводов.

Заключение

Микросхема компенсатора падения напряжения в линии LT6110 улучшает качество регулирования напряжения на удаленных нагрузках, на которое оказывают существенное влияние большие токи, длинные участки кабеля и сопротивления. Для точной стабилизации не требуются ни дополнительные провода, ни схемы Кельвина – ничего из того, что является недостатками иных решений. Напротив, решения на основе компенсатора занимают совсем немного места, несложны в реализации и позволяют снизить стоимость компонентов.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Control the Voltage of a Remote Load Over Any Length of Copper Wire

JLCPCP: 2USD 2Layer 5PCBs, 5USD 4Layer 5PCBs

LT6110 Купить ЦенаКупить LT6110 на РадиоЛоцман.Цены — от 99,30 до 110
10 предложений от 10 поставщиков
Controller 2V to 50V Automotive 8-Pin TSOT-23 T/R
Элитан
Россия
LT6110IDC
Analog Devices
99 ₽
ЭИК
Россия
LT6110IDC#TRMPBF
Linear Technology
106 ₽
TradeElectronics
Россия
LT6110IDC#TRMPBF
Linear Technology
по запросу
Кремний
Россия и страны СНГ
LT6110HDC PBF
Linear Technology
по запросу
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя