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线缆太长负载太远,负载端电压难测量?三种方法帮你搞定

2019-10-30
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关键词:电缆, 线缆阻抗, 负载电流, 开尔文检测

在产品设计,研发过程中,我们常会碰到稳压器与负载分离的情况。此时,如果电缆线太长,线缆阻抗无法忽略、负载电流太大,这些都会使得配电线上的压降增大,从而影响负载端电压控制的精度。


这个难题,三种方法帮你搞定——

01

方法一:

采用四线式开尔文(Kelvin) 连接,直接在负载上测量电压


  • 原理:额外增加一对开尔文检测线,测量负载端电压。在图1中,红线为开尔文检测线。然后将这些测量值整合到电源侧的电源电压控制中。

图1,四线式开尔文连接(Scheme-it 方框图


  • 优势与注意事项:

- 优势:有效,精确

- 注意事项:第一,需要额外的检测引线,增加成本;第二,容易受到EMC 干扰。


  • 小知识:开尔文法测电阻

开尔文法测电阻也称四线法测电阻。可以避免测量时,线缆电阻对于测试结果的影响,但是需要额外增加两根开尔文检测线。

传统的测试方法中,电流回路和测试回路为同一个回路。回路中电流流经线缆电阻产生压降,影响测试结果。
 
开尔文法测电阻,通过四根线、两个回路,把电流回路和测试回路分开。流经测试回路的电流很小,因此测试回路中,线缆电阻上的压降可以忽略不计,从而能够精确的测量。
 
如下图,外圈是电流回路,内圈是测试回路,Vm是电压表测试结果,Vr是实际电阻两端的电压。内圈测试回路中流经的电流很小,乘以线缆电阻Rlead,得到的压降可以忽略,因此Vm=Vr。

图2,开尔文法测电阻


02
方法二:

测量线缆上的电流,根据测得的电流对输出电压做出补偿


  • 应用实例:使用LT6110对输出电压做出补偿


将LT6110插入电源侧,并测量进入连接线之前的电流。然后根据测得的电流来调节电源的输出电压。

图3,使用LT6110对输出电压做出补偿


  • LT6110典型应用电路解析


图4,LT6110典型应用电路解析



 1. LT6110通过测量RSENSE两端的电压VSENSE,来检测负载电流ILOAD

 2. 输出一个与负载电流ILOAD成比例的镜像电流IIOUT

 3. 利用RIN电阻调节IIOUT电流范围

 4. 通过RFA反馈电阻器吸收IIOUT以增加稳压器的输出,来补偿线缆压降VDROP


  • LT6110VDROP补偿设计要点



 1. 设定IIOUT • RFA的乘积等于最大线缆压降VDROP

 2. 如欲实现精准的负载调节,则需准确地估算电源与负载之间的电阻


  • 优势与注意事项

- 优势:无需额外的检测引线。

- 注意事项:更换线缆时,如欲实现精准的负载调节,需要重新对电压补偿进行相应调整。

03

方法三:


通过交流信号对线缆阻抗进行虚拟预测,从而为负载端提供高精度电压


  • 应用实例:使用LT4180对输出电压做出补偿


  • 原理:LT4180与电源(如DC/DC转换器)一起运作,强制电源输出一个方波电流ΔIL。其峰峰值在标称输出电流的95%到105%之间变化。然后在负载上加一个去耦电容来滤除电流方波中的颤振电流。(该去耦电容大小的选择,以在电流方波频率上产生“AC短路”为目标)。该电流方波ΔIL流过线缆阻抗,会产生一个电压方波ΔV, ΔV = ΔIL * 线缆阻抗。ΔIL变化范围已知为±5%,ΔV已测得。因此可在任意负载电流条件下,确定并校正线缆阻抗。

    即使在器件工作期间内,线缆阻抗会发生变化。同样可以使用 LT4180 这类芯片,在负载侧设置输入电容,通过交流信号对线缆阻抗进行虚拟预测,从而为负载端提供高精度电压。

图5,使用LT4180对输出电压做出补偿

  • 优势与注意事项

- 优势:第一,无需额外的检测引线。第二,优良的通用性,可以应付电缆阻抗发生变化。

- 注意事项:需要负载侧的节点,具有低交流阻抗。


三种方法比较和结论


下表对三种方法的优势和注意事项进行了总结


方法一:


增加检测引线

方法二:


测量线缆上的电流

方法三:


交流信号预测线缆阻抗

优势

有效,精确

无需额外的检测引线

无需额外的检测引线

注意事项

需要额外的检测引线,容易受到 EMC 干扰

如需精确调整,

需准确估算线缆电阻

需负载侧的节点,

具有低交流阻抗


在很多应用中,都可能碰到需要解决配电系统中线缆电阻的问题,如测井和井下钻探作业中使用的仪器传感器、远距离的监控设备、笔记本快充中的大电流与充电线高阻抗之间的矛盾。在实际应用中,可以根据实际情况,选择最优的方案。



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