Die Thematik der Leitungskompensation an Spannungsreglern lässt sich gut anhand eines praktischen Beispiels wie einem für die Mittelkonsole eines Autos vorgesehener USB-Ladeanschluss, der von der in der Armaturentafel angebrachten Elektronik gespeist wird, verdeutlichen. Zum Laden mobiler digitaler Geräte muss der USB-Port einen Strom von 2 A oder mehr liefern. Die Vorgaben für die Versorgungsspannung von USB-Ports werden durch die Verwendung billiger, dünner Leitungen, an denen viel Spannung abfällt, jedoch oft konterkariert.

Bild 1: Die Ersatzschaltungen von realen Leitungsverbindungen.

Bild 1: Die Ersatzschaltungen von realen Leitungsverbindungen.Texas Instruments

Spannungsabfällen begegnen

In Bild 1 sind anhand von Ersatzschaltungen die verschiedenen Widerstände dargestellt, an denen die Spannungsabfälle auftreten. Die Spannung Vload hängt vom Strom Iload, dem Leitungswiderstand Rwire und dem Steckverbinderwiderstand Rcon ab. Grundsätzlich muss man alle in der Stromversorgungsleitung liegenden Bauteile – also auch zusätzliche Schalter – einrechnen, wodurch Vload entsprechend sinkt (Bild 2).

Bild 2: Die Abhängigkeit des Spannungsabfalls vom Laststrom.

Bild 2: Die Abhängigkeit des Spannungsabfalls vom Laststrom.Texas Instruments

Wenn der Rdrop-Wert eines Systems konstant und bekannt ist, lässt sich mit dem nachfolgenden Verfahren das Netzteil so modifizieren, dass sich der Spannungsabfall ausgleichen lässt und Vload konstant bleibt.

In der Praxis

Bild 4 zeigt das Ersatzschaltbild des USB-Ladeanschlusses für die Mittelkonsole. Das Netzteil sorgt für eine konstante Spannung an Vout, weil der Gegenkopplungs-Spannungsteiler auf diesen Punkt bezogen ist.

Bild 3: Das Blockschaltbild zum USB-Port für die Mittelkonsole eines Autos.

Bild 3: Das Blockschaltbild zum USB-Port für die Mittelkonsole eines Autos.Texas Instruments

Zum korrekten Aushandeln der Ladebedingungen wird ein USB-Charging-Port-Controller mit Leistungsschalter benötigt. Der Baustein TPS2546-Q1 von Texas Instruments stellt auf den Leitungen D+/D- die nötigen elektrischen Signaturen zur Unterstützung der jeweiligen Ladeverfahren zur Verfügung. Der Schalter liegt in der Stromversorgungsleitung und verdeutlicht die Spannungsabfälle, die durch die zusätzlichen Widerstände dieses Leistungsschalters sowie etwaiger Steckverbinder und der Leitung selber entstehen.

Bild 4: Das Ersatzschaltbild des USB-Ladeanschlusses für die Mittelkonsole.

Bild 4: Das Ersatzschaltbild des USB-Ladeanschlusses für die Mittelkonsole.Texas Instruments

Spannungsabfall am USB-Port

Gemäß der USB-Spezifikation gilt für die Spannung VBus ein unterer Grenzwert von 4,75 V und ein oberes Limit von 5,25 V. Um den Spannungsabfall bei maximalem Laststrom einzukalkulieren, stellt man die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers auf den höchstzulässigen Wert ein. Unter Zugrundelegung einer Genauigkeit von zwei Prozent beträgt die höchstzulässige Spannung 5,19 V, damit man den oberen Grenzwert von 5,25 V keinesfalls überschreitet. Als Minimum liegen infolge der Toleranz 5,14 V an. Von dieser Spannung ausgehend, bleiben nur noch 390 mV bis zur USB-Mindestspannung von 4,75 V. Größer ist das Budget für etwaige Spannungsabfälle nicht.

Zum schnellen Laden wird ein Strom von 2,1 A benötigt. Aus dem Datenblatt des TPS2546-Q1 ergibt sich unter Zugrundelegung der Worst-Case-Bedingungen über die Temperatur, dass der RDS(on) des Bausteins von 120 mΩ einen zusätzlichen Spannungsabfall von 252 mV verursacht, sodass das ursprüngliche Budget von 390 mV auf nur mehr 138 mV schrumpft, die am Kabel selbst und den Steckverbindern abfallen dürfen. Bezogen auf die Stromstärke von 2,1 A entspricht dies einem Widerstand von 66 mΩ. Mithilfe des spezifischen Widerstands von Kupfer lässt sich errechnen, dass ein Leiterquerschnitt von 2 mm² erforderlich ist, was das Kabel dick, schwer und teuer macht. Der Nennstrom einer solchen Leitung beträgt rund 30 A.

Bild 5: Die Spannungsabfall-Kompensation mit dem INA213.

Bild 5: Die Spannungsabfall-Kompensation mit dem INA213.Texas Instruments

Umsetzung der Spannungsabfall-Kompensation

Für die Spannungsabfall-Kompensation erfolgt zunächst die Laststrom-Messung (Bild 5). Dies geschieht mit dem Current-Shunt-Monitor INA213. Die Ausgangsspannung Vcs dieses Bausteins wird mit Rm an den Gegenkopplungs-Spannungsteiler des Gleichspannungswandlers zurückgeführt. Der Wandlerblock P1 gibt den grundsätzlichen Aufbau der Regelschleife wieder. Das Feedback-Signal FB wird mit einer Referenzspannung verglichen, woraufhin man den Vout so variiert, dass FB gleich VREF ist.

Bild 6: Die Kompensation des Spannungsabfalls.

Bild 6: Die Kompensation des Spannungsabfalls.Texas Instruments

Die Tatsache, dass die Feedback-Spannung FB somit konstant und gleich der Referenzspannung VREF ist, bildet die Grundlage für alle folgenden Berechnungen. Entscheidend für die beschriebene Applikation ist die inverse Messung des Laststroms Iload mithilfe des Shunt-Widerstands Rs. Damit Vout bei steigendem Iload zunimmt, muss die Ausgangsspannung Vcs des Current-Shunt-Monitors abnehmen. Wenn kein Laststrom fließt, ist Vcs gleich VREF. Je größer der Laststrom wird, umso kleiner wird Vcs und umso mehr wird Vout angehoben. Genau diese Charakteristik ist hier angestrebt. Mit diesem Modell lässt sich dem Netzteil die Charakteristik verleihen (Bild 6).

Bidirektionaler Current-Shunt-Monitor

In der Applikation findet der INA213A-Q1 Verwendung, der sich zum Implementieren einer Spannungsabfall-Kompensation eignet. Er ermöglicht die high-seitige Strommessung mit einem über die Versorgungsspannung hinausreichenden Gleichtaktbereich, sodass sich V+ direkt mit Vout verbinden lässt. Wichtig ist die Bidirektionalität, damit sich die negative Ausgangs-Charakteristik umgesetzen lässt. Mit Zero-Drift-Technik weisen die Bausteine der Familie Genauigkeit und eine Offsetspannung von nur 35 µV aus. Hierdurch kommt man mit einem Shunt-Spannungsabfall von 10 mV (bei maximalem Strom) aus und es reichen kleine Shunt-Widerstände aus.

Für unterschiedliche Lastströme sind Varianten mit verschiedenen fest eingestellten Verstärkungen verfügbar. Die Ruhestromaufnahme beträgt 100 µA (maximal). Es stehen die kleinen Gehäusetypen SC70 und THIN-QFN zur Auswahl. Auch die für den Einsatz in einem USB-Ladeanschluss in der Mittelkonsole eines Autos erforderliche Automotive-Qualifikation bringen die Bausteine mit.

Berechnung und Dimensionierung der Bauelemente

Die Gleichungen 1 bis 13.

Die Gleichungen 1 bis 13.Texas Instruments

Voraussetzung für die Kompensation des Spannungsabfalls ist die Kenntnis des Widerstands Rdrop, an dem der Spannungsabfall auftritt. Gemäß Bild 1 umfasst Rdrop alle Widerstände zwischen dem Ausgang des Gleichspannungswandlers und jenem Punkt, an dem man eine konstante Spannung benötigt, etwa Leitungen, Steckverbinder und Schalter. Somit muss man zunächst den zu kompensierenden Spannungsabfall mithilfe des Ohmschen Gesetzes und den bekannten Werten von Rdrop und des maximalen Laststroms berechnen (Gleichung 1).

Auf einen Blick

Spannungsabfälle an Stromversorgungsleitungen lassen sich kompensieren, solange der Widerstand, an dem der Spannungsabfall auftritt, im System konstant ist. Mithilfe eines high-seitig messenden bidirektionalen Current-Shunt-Monitors lässt sich die Stromversorgung so abwandeln, dass Vout mit Iload zunimmt. Dafür sind geringe Änderungen an der auf die Belange der Anwendung zugeschnittenen Stromversorgung erforderlich.

Man erkennt hieran, dass ohne Laststrom kein Spannungsabfall auftritt. Damit ist der erste Arbeitspunkt (Operating Point) OP1 gegeben (Gleichung 2). Der zweite Arbeitspunkt OP2 liegt beim maximalen Laststrom vor (Gleichung 3).

Strommessung

Den Laststrom Iload erfasst man mithilfe des Shunt-Widerstands Rshunt. Das resultierende Spannungssignal verstärkt man mit einem Differenzverstärker. Die Erfassung des Stroms erfolgt mit umgekehrtem Vorzeichen (Bild 5). Die Ausgangsspannung Vcs des Strommessverstärkers lässt sich mit Gleichung 4 berechnen. VREF cs lässt sich mit dem Spannungsteiler R3/R4 und gemäß Gleichung 5 von Vout ableiten.

Damit der gesamte lineare Bereich bis OP1 nutzbar ist, sollte VREF cs kleiner eingestellt sein als die obere Grenze der Aussteuerung des Current-Shunt-Monitors. Nach dem Datenblatt des INA213 wird (V+) -0,2 V gewählt. R3 und R4 sind entsprechend zu dimensionieren. In Verbindung mit der Verstärkung (GAIN) des ausgewählten Current-Shunt-Monitors lässt sich mit Gleichung 6 und mit OP2 der Shunt-Widerstand so berechnen, dass bei maximalem Laststrom die kleinste Ausgangsspannung anliegt. Gemäß dem Datenblatt des INA213 wird ein Wert von (VGND) +0,05 V gewählt.

Bild 7: Das Schaltbild des Gegenkopplungs-Spannungsteilers.

Bild 7: Das Schaltbild des Gegenkopplungs-Spannungsteilers.Texas Instruments

Gegenkopplungs-Spannungsteiler

Liegt die Formel zur Berechnung des Strommessausgangs vor, geht es im nächsten Schritt an die Berechnung des Gegenkopplungs-Spannungsteilers (Bild 7).

Laut Kirchhoff gelten die Gleichungen 7, 8, 9 und 10. Gleichung 11 zeigt den Einsatz von Gleichungen 8, 9 und 10 in Gleichung 7. Das Umstellen von Gleichung 11 und Ersetzen der Widerstände durch Leitfähigkeiten ergibt Gleichung 12.

Lineares Gleichungssystem

Gleichung 12 bildet die Grundlage für die Ausarbeitung eines linearen Gleichungssystems. Dieses definiert sich durch die festgelegten Arbeitspunkte OP1 und OP2 (Gleichungen 2 und 3) an beiden Extremwerten des Laststroms. Gleichung 13 gibt das lineare Gleichungssystem in Matrixschreibweise wieder.

Vcs1 und Vcs2 lassen sich mit Gleichung 4 bestimmen. R2 benötigt einen Wert. Bewährt hat sich die Wahl desjenigen Werts, der im Design bereits vorkommt, da dies zur Stabilität des Reglers beiträgt. Die Feedback-Spannung Vfb des Wandlers lässt sich dem Datenblatt des Wandlers entnehmen. Damit kann man das lineare Gleichungssystem entweder per Hand oder mit einem Mathe-Tool lösen. Als Ergebnisse kommen die Leitfähigkeiten G1 und GM heraus, von denen man jetzt nur noch den Kehrwert bilden muss, um R1 und RM zu erhalten.

Hilfreich ist das kostenlose analoge Simulationsprogramm Tina-TI. Damit lassen sich Simulationen durchführen; zusätzlich stehen Design-Kits und Evaluation-Module zur Verfügung.