Leitungsspannungsabfallkompensator LT6110.

Leitungsspannungsabfallkompensator LT6110.Linear Technology

Es ist in manchen Applikationen nicht unüblich, dass es lange Leitungen zwischen der Stromversorgung und dem Verbraucher gibt. In diesen Anwendungen fällt die Spannung, die an den Verbraucher angelegt wird ab, wenn der Laststrom ansteigt, mit dem Ergebnis, dass es wie ein Problem der Lastregelung der Stromversorgung aussieht.

Auf einen Blick

Der Leitungsspannungs- abfallkompensator LT6110 verbessert die Regelung bei weit entfernter Stromversorgungen und Messgeräten. Dazu misst er den Laststrom und speist einen kleinen Strom in die Rückkoppelschleife des Reglers ein, um die Ausgangsspannung des Reglers zu erhöhen. Er wurde so entwickelt, dass er mit Standard-Rückkoppelschleifen arbeitet und auch mit „Stromquellen“- Referenzbausteinen wie dem LT3080 von Linear Technology.

Die traditionelle Methode dieses Problem zu lösen ist es, die Ausgangsspannung mit einem speziellen Paar von Leitungen zu messen, die vom Rückkoppelnetzwerk des Reglers zur Last führen. Obwohl diese Methode gut funktioniert, ist dieses zusätzliche Leitungspaar wegen der höheren Kosten und Gewichts sowie geringeren Zuverlässigkeit und so weiter wenig wünschenswert. Eine andere mögliche Lösung ist es, die Dicke der Kabel/Leitungen zu vergrößern, um den Widerstand zu senken; dies führt allerdings auch zu höheren Kosten und Gewicht für die Leitungen und kann für die Nachrüstung von bestehenden Systemen unpraktisch sein. Schließlich kann man noch einen Regler an den Ort des Verbrauchs (point of load) platzieren. Dies kann zusätzliche Regler erfordern mit steigenden Kosten und höherer Komplexität, im Vergleich zu einem einzigen, zentralen Regler. Dies kann auch den Wirkungsgrad bei Linearreglern verringern (da weniger Leistung an den Verbraucher geliefert wird) und es kann wegen physikalischer Einschränkungen (wie die Größe) und Umweltbedingungen (thermische Last, Betriebstemperatur) nicht praktikabel sein.

Eine neue Lösung

Bild 1: Eine 5-V-Versorgungsspannung fällt auf 4 V ab, die das Ergebnis von 1 A gezogener Strom und 1 Ohm Leitungswiderstand impliziert.

Bild 1: Eine 5-V-Versorgungsspannung fällt auf 4 V ab, die das Ergebnis von 1 A gezogener Strom und 1 Ohm Leitungswiderstand impliziert.Linear Technology

Linear Technology bietet mit dem Leitungsspannungsabfallkompensator LT6110 eine neue Lösung für dieses Problem an. Im Zentrum des Bausteins befindet sich ein präziser High-Side-Strommessverstärker mit einem Strom-Modus-Ausgang. Wird ein steigender Laststrom gemessen, erhöht der Baustein die Ausgangsspannung des Reglers, um den Spannungsabfall am Verbraucher zu kompensieren.

In den meisten Fällen ist die Kompensation des Spannungsabfalls in den Leitungen einfach. Dazu betrachtet man eine Kamera, die oberhalb eines zu beobachtenden Bereichs montiert ist und von einer Stromversorgung gespeist wird, die sich etwa 15 m entfernt befindet (Bild 1).

Mit der Leitungskompensation des LT6110 wird ein Korrekturstrom generiert, um die Rückkopplung des Reglers zu justieren. Dieser Strom wird am Rückkoppelknoten des Reglers eingespeist und durch den Rückkoppelwiderstand geleitet. Deshalb wird der Korrekturstrom so gewählt, dass er die Ausgangsspannung des Reglers durch den Betrag des Spannungsabfalls erhöht:

ICorrection = VDrop / RF

Wobei VDrop der Spannungsabfall an der Last ist, und RF der Rückkoppelwiderstand am Regler (Bild 2).

Bild 2: Der LT6110 ist so konfiguriert, dass er den Korrekturstrom I Correction generiert.

Bild 2: Der LT6110 ist so konfiguriert, dass er den Korrekturstrom I Correction generiert.Linear Technology

Ein Beispiel

Betrachtet man wieder die Anwendung mit der abgesetzten Kamera, dann kann ein Leitungsspannungsabfallkompensator LT6110 zwischen den Regler und den Verbraucher eingefügt werden (Bild 3).

Bei 1 A Strom, der durch den eingebauten 20-mOhm-Messwiderstand fließt, wird eine 20-mV-Messpannung generiert.

Um den Reglerausgang mit 1 V zu justieren, muss ein Korrekturstrom durch den Rückkoppelwiderstand des Reglers fließen.

Bild 3: Der Leitungsspannungsabfallkompensator LT6110 eingefügt zwischen Regler und Verbraucher.

Bild 3: Der Leitungsspannungsabfallkompensator LT6110 eingefügt zwischen Regler und Verbraucher.Linear Technology

Dieser Korrekturstrom wird vom LT6110 generiert. Da der Rückkoppelwiderstand des Reglers den Wert 20 kOhm hat und die gewünschte Korrekturspannung 1 V beträgt, muss der Strom IIOut 50 µA sein. Der Wert von IIOut wird von der Spannung VSense bestimmt, die über den Eingangswiderstand des LT6110 gezwungen wird. Deshalb sollte der Eingangswiderstand auf 400 Ohm eingestellt werden (Bild 4).

Die Verbesserung der Lastregelung in diesem Beispiel kann schnell mit einer einfachen LTSpice-Schaltungssimulation demonstriert werden. LTSpice ist ein Hochleistungs-Spice-Simulator, Schematic-Capture-Generator und Waveform-Viewer, der kostenfrei von der Webseite von Linear Technology herunter geladen werden kann.

Bild 4: Die drei Schritte zur Einstellung des LT6110.

Bild 4: Die drei Schritte zur Einstellung des LT6110.Linear Technology

Mit dem LTSpice-Modell eines Linearreglers LT1965, der eine 1-A-/1-Hz-Last versorgt, wird die Lastregelung mit dem LT6110 drastisch verbessert. Wie in Bild 5 gezeigt, stellt die grüne Linie die schlechte Regelung ohne Kompensation des Spannungsabfalls in der Leitung dar. Die blaue Linie zeigt die Verbesserung mit dem LT6110. Wer diese Schaltung selbst ausprobieren möchte, kann sich die LTSpice-Schaltung von der Linear Technology Homepage herunterladen. Die Verwendung eines AC-Laststroms illustriert die kontinuierliche Korrektur der Lastspannung mit dem LT6110.

Wahre Flexibilität

Der LT6110 arbeitet mit Versorgungsspannungen zwischen 2 V und 50 V und ist vollständig für den Betrieb im Temperaturbereich zwischen -40 und +125 °C spezifiziert. Er kann große und kleine Spannungsabfälle mit hoher Präzision kompensieren und auch Lastregelungsprobleme innerhalb des Reglers kompensieren. Generell bietet eine vernünftige Abschätzung des Leistungswiderstands eine gute Kompensierung. Eine 50-prozentige Unsicherheit in der Kompensation des Spannungsabfalls in der Leitung verbessert die Lastregelung immer noch um Faktor 2; eine zehnprozentige Unsicherheit würde die Lastregelung um Faktor 10 verbessern.

Bild 5a

Bild 5aLinear Technology

Bild 5b: Die grüne Linie stellt die schlechte Regelung ohne Kompensation des Spannungsabfalls in der Leitung dar. Die blaue Linie zeigt die Verbesserung mit dem LT6110.

Bild 5b: Die grüne Linie stellt die schlechte Regelung ohne Kompensation des Spannungsabfalls in der Leitung dar. Die blaue Linie zeigt die Verbesserung mit dem LT6110.Linear Technology

Der LT6110 hat zwei Strom-Modus-Ausgänge, die proportional zum Laststrom sind, einer als Stromquelle und einer als Stromsenke. Dies erlaubt es dem Baustein die Ausgangsspannungen einer großen Anzahl unterschiedlicher Regler einzustellen. Jeder Ausgang kann auch dazu benutzt werden, um den Laststrom zu überwachen. Ein kleiner DC-Offset ermöglicht den Einsatz von kleinen Messwiderständen und auch die präzise Regelung von kleinen Unterschieden im Spannungsabfall der Leitungen.

Der LT6110 kann Lastströme bis zu 3 A mit seinem internen Messwiderstand erfassen, für höhere Ströme kann ein externer Messwiderstand verwendet werden. Zwei Strom-Modus-Ausgänge stehen zur Verfügung; entweder zur Regelung des Leitungsspannungsabfalls oder zur einfachen Stromüberwachung. Ein kleiner DC-Offset ermöglicht den Einsatz von kleinen Messwiderständen und auch die präzise Regelung von kleinen Spannungsabfällen in den Leitungen und die Signalbandbreite von 180 kHz bietet eine schnelle Reaktion auf Laständerungen. Mit dieser Kombination von Eigenschaften kann der LT6110 mit allen Reglertypen und in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. Diese kleine, einfache und preiswerte Lösung, benötigt keinen zusätzlichen Point-of-Load-Regler oder Messleitungen und ermöglicht die Verwendung dünnerer Leitungen. Damit bringt der LT6110 die Einfachheit in die Aufgabe zurück, eine Stromversorgung mit ihrem Verbraucher zu verbinden.