妙用“虛擬遠(yuǎn)端采樣“改善負(fù)載調(diào)節(jié)性能（一）

當(dāng)電源和負(fù)載之間存在較大壓降時(shí)，準(zhǔn)確調(diào)節(jié)負(fù)載電壓可能很難。即使穩(wěn)壓器在自己的輸出端產(chǎn)生非常穩(wěn)定的電壓，負(fù)載電流的變化也會影響沿導(dǎo)線產(chǎn)生的IR壓降，從而在負(fù)載端導(dǎo)致極大的電壓波動(圖1)。

圖1：通過電阻性互連線實(shí)現(xiàn)最簡單的負(fù)載調(diào)節(jié)模型。

在負(fù)載側(cè)改善調(diào)節(jié)的傳統(tǒng)解決方案包括增加額外的導(dǎo)線以進(jìn)行遠(yuǎn)端采樣(圖2)，但是增加額外的導(dǎo)線并不是一種可行的理想方案。一種新的控制方法是“虛擬遠(yuǎn)端采樣(VRS)”，該方法很容易地取代了常規(guī)解決方案，并可避免常規(guī)解決方案的隱患，而且在某些情況下還解決了以前無法解決的問題。

圖2：遠(yuǎn)端采樣解決負(fù)載調(diào)節(jié)問題，但是在分壓器上增加了導(dǎo)線。

傳統(tǒng)的負(fù)載端調(diào)節(jié)方案

虛擬遠(yuǎn)端采樣解決了在長導(dǎo)線末端保持負(fù)載穩(wěn)定的問題，這種方法比直接遠(yuǎn)端電壓采樣、壓降補(bǔ)償、和負(fù)載端調(diào)節(jié)等常規(guī)遠(yuǎn)端采樣方法更易采用，且效果更好。

第一種傳統(tǒng)方法是直接遠(yuǎn)端采樣(圖2)，該方案可實(shí)現(xiàn)極好的負(fù)載端調(diào)節(jié)，但是需要兩對導(dǎo)線：一對提供負(fù)載電流，另一對測量負(fù)載端的電壓，以便實(shí)現(xiàn)恰當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。遠(yuǎn)端采樣需要先見之明，必須設(shè)計(jì)到系統(tǒng)里。除非有一對額外的檢測導(dǎo)線準(zhǔn)備好待用，遠(yuǎn)端采樣不可能事后實(shí)現(xiàn)。

第二種傳統(tǒng)方法是壓降補(bǔ)償，這不需要額外的導(dǎo)線，但是卻需要仔細(xì)估計(jì)負(fù)載線路的壓降。對電源電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，以補(bǔ)償估計(jì)的互連線壓降。不過，既然壓降僅是估計(jì)值而不是測量值，那么這種方法的準(zhǔn)確性值得商榷。

第三種傳統(tǒng)方法涉及直接在負(fù)載端放置一個(gè)穩(wěn)壓器。這既保證了準(zhǔn)確度，又簡化了布線，但是穩(wěn)壓器在負(fù)載端占用寶貴的空間、降低了電源系統(tǒng)的總體效率且靠近負(fù)載的功耗升高了。在工業(yè)和汽車系統(tǒng)中，在負(fù)載端的嚴(yán)酷環(huán)境中放置一個(gè)穩(wěn)壓器也許是不可能的。

VRS 避開了所有這些限制，同時(shí)在多種條件下實(shí)現(xiàn)了令人贊嘆的負(fù)載調(diào)節(jié)效果。

什么是 VRS?

圖3顯示了一個(gè)簡化的虛擬遠(yuǎn)端感測系統(tǒng)原理圖，由一個(gè)電源或通過電阻性互連線(由導(dǎo)線和連接器組成)驅(qū)動負(fù)載的穩(wěn)壓器組成。如果不采用VRS，電源電壓 (VSUPPLY)和DC電流(ILOAD) 是已知的，但是沒法確定多少電壓提供給了負(fù)載，多少電壓損失在導(dǎo)線中，因此無法實(shí)現(xiàn)恰當(dāng)?shù)呢?fù)載電壓調(diào)節(jié)。

圖3：虛擬遠(yuǎn)端采樣易于實(shí)現(xiàn)。

LT4180 VRS 通過查詢線路阻抗和動態(tài)補(bǔ)償壓降解決了這個(gè)問題。該器件通過使輸出電流在所需輸出電流的95%和105%之間交替變化來工作。換句話說，LT4180強(qiáng)制電源提供一個(gè)DC電流加上一個(gè)峰峰值幅度等于DC電流10%的電流方波。去耦電容器C(通常在非VRS系統(tǒng)中確保低阻抗，以實(shí)現(xiàn)恰當(dāng)?shù)呢?fù)載瞬態(tài))還承擔(dān)了一個(gè)附加的角色 ──從VRS方波中濾除電壓瞬態(tài)。

因?yàn)镃的大小可以改變，以在方波頻率上產(chǎn)生“AC 短路”，所以在電源端產(chǎn)生的查詢電壓方波等于 VSUPPLY(AC) = 0.1 ? IDC ? R，以VP-P來衡量。這個(gè)在電源端測得的電壓方波峰峰值幅度等于DC導(dǎo)線壓降的1/10。這不是估計(jì)值，它是導(dǎo)線上通過全部負(fù)載電流時(shí)直接測量的壓降。通過小信號處理，從這個(gè)AC信號中產(chǎn)生了一個(gè)DC電壓，這個(gè) 電壓引入電源的反饋環(huán)路，以提供準(zhǔn)確的負(fù)載調(diào)節(jié)。

那么VRS有多有效?

LT4180的靜態(tài)負(fù)載調(diào)節(jié)如圖4所示。在這種情況下，負(fù)載電流從零開始升高，直至在導(dǎo)線中產(chǎn)生一個(gè)2.5V的壓降為止。負(fù)載端電壓在最大電流時(shí)僅比電流為零時(shí)下降73mV。甚至導(dǎo)線內(nèi)壓降等于標(biāo)稱負(fù)載電壓的50%時(shí)，負(fù)載端的電壓仍然保持在無負(fù)載電流值的1.5%之內(nèi)。導(dǎo)線壓降不那么大時(shí)，會產(chǎn)生更好的結(jié)果。

圖4：在極寬的穩(wěn)壓器至負(fù)載導(dǎo)線壓降范圍內(nèi)，LT4180的靜態(tài)負(fù)載調(diào)節(jié)令人印象深刻。

VRS極度靈活

LT4180幾乎可與任何電源或穩(wěn)壓器一起使用：線性或開關(guān)式、隔離或非隔離式。電源可以同步或不同步至LT4180。為了滿足各種系統(tǒng)和電源需求，VRS工作頻率可以在超過以千計(jì)的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。它還提供擴(kuò)頻工作模式，以部分起到抗單音干擾的作用。其較大的輸入電壓范圍簡化了設(shè)計(jì)。

用 VRS 解決以前不可能解決的問題

除了提供可替代常規(guī)方法的解決方案，VRS還在電池充電、工業(yè)和以太網(wǎng)、照明、測井以及其它應(yīng)用領(lǐng)域創(chuàng)造了以前不可能獲得的機(jī)會。

改善電池充電器

圖5示意了一個(gè)粗略的電源系統(tǒng)，用于筆記本電腦、PDA、蜂窩電話或便攜式娛樂設(shè)備。一個(gè)外部電源/電池充電器用來最大限度地減小便攜式電子設(shè)備的尺寸。充電器僅在該設(shè)備關(guān)閉且沒有吸取電流時(shí)才能正確工作。當(dāng)電池接近滿容量時(shí)，電池充電電流(IBAT)接近為零。如果I=0，那么電池充電器電壓VSUPPLY等于電池浮充電壓，而且充電終止功能正確啟動。

圖5：一種(有缺點(diǎn)的)電池充電架構(gòu)旨在用一個(gè)外部電池充電器減小設(shè)備尺寸。

但是如果系統(tǒng)穩(wěn)壓器吸取電流，會發(fā)生什么問題?電池電壓VBAT可能低于所需電池充電器電壓VSUPPLY，因此使充電速度變慢，甚至完全停止充電?；ミB線電阻不可能降到足夠低來解決這個(gè)問題。1%的鋰離子浮充電壓準(zhǔn)確度要求轉(zhuǎn)換為42mV浮充電壓誤差(就單節(jié)鋰離子電池而言)。因?yàn)檫€存在其它浮充電壓誤差源，所以導(dǎo)線壓降必須保持遠(yuǎn)低于這個(gè)值。

傳統(tǒng)解決方案采用像圖6所示那樣的復(fù)雜架構(gòu)，這種架構(gòu)在設(shè)備中納入了充電器和一個(gè)電源路徑控制器。盡管這樣可以降低與導(dǎo)線有關(guān)的充電誤差，但是也增大了設(shè)備的尺寸和設(shè)備內(nèi)部的功耗，因?yàn)槌潆娖骱碗娫绰窂娇刂破鞅仨毞旁谠O(shè)備內(nèi)部。

圖6：未用VRS的典型電池充電架構(gòu)。

圖7顯示采用 VRS 時(shí)不打折扣的解決方案。充電器電壓在設(shè)備端得到恰當(dāng)?shù)目刂疲皇茇?fù)載電流(I)影響，因此可以使用一個(gè)外部電池充電器電源，電源路徑控制器可以去掉。

圖7：以VRS實(shí)現(xiàn)的簡化電池充電方案，該方案能減小設(shè)備的總體尺寸，實(shí)現(xiàn)圖5所示解決方案不可能實(shí)現(xiàn)的效果。

在以太網(wǎng)供電應(yīng)用中非常容易補(bǔ)償線路壓降

以太網(wǎng)供電和工業(yè)應(yīng)用也受益于VRS。VRS允許低壓設(shè)備(具大工作電流)在CAT5和CAT6電纜上運(yùn)行，而不會產(chǎn)生長導(dǎo)線引起的壓降。甚至10V至20V的線路壓降也可以補(bǔ)償，從而允許在遠(yuǎn)端使用簡單的線性穩(wěn)壓器或不使用穩(wěn)壓器。

下接：妙用虛擬遠(yuǎn)端采樣改善負(fù)載調(diào)節(jié)性能（二）

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