Power-Tipps von TI, Teil 61 Kompensation von Kabelverlusten ohne Fernabtastung

Gelegentlich wird für ein Netzteil-Design eine Regelgenauigkeit spezifiziert, die ohne Fernabtastung, und die damit einhergehende Komplexität, nicht realisierbar ist.

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Bicker Elektronik GmbH

MTM Power Messtechnik Mellenbach GmbH

Ein erstklassiges Beispiel hierfür ist ein Offline-USB-Ladegerät, bei dem das Netzteil den Spannungsabfall am Kabel in Höhe von 0,5 V kompensieren muss, ohne dass das Kabel hierfür um zwei Adern die den Querschnitt vergrößern würden, erweitert werden darf. Fest steht, dass die Spannung am Ausgang zwischen 4,75 und 5,25 V betragen muss. Legt man jedoch die typischen Bauelemente-Toleranzen zugrunde und kalkuliert die 0,5 V Spannungsabfall am Kabel ein, lässt sich diese Forderung ohne Fernabtastung nicht erfüllen.

Die übliche Lösung für dieses Problem besteht darin, den Ausgangsstrom mithilfe eines Strommesswiderstands zu erfassen und das dabei entstehende Spannungssignal einem Differenzverstärker mit geringer Offsetspannung zuzuführen. Die Ausgangsspannung dieses Verstärkers wird von einer Stromquelle verarbeitet, deren Strom vom Spannungssignal abgezogen wird, was zum Anheben der Ausgangsspannung führt.

Aus Bild 1 geht ebenfalls hervor, wie die Schaltung instabil werden kann. Die Gleichung für EAout gibt in vereinfachter Form die Abhängigkeit der Verstärker-Ausgangsspannung von Vo wieder. Bei dieser Vereinfachung sind der Kabel- und der Lastwiderstand in dem Term RLOAD zusammengefasst und es wird eine Lastkapazität von null angenommen. Wie man sieht, besteht die Verstärkerspannung aus zwei Termen – einem positiven und einem negativen.

Wenn bei einer bestimmten Frequenz der zweite Term betragsmäßig größer ist als der erste, so verändert sich die Phasenlage des Verstärkerausgangs um 180°, was zur Bildung eines Oszillators führen kann. Dies ist normalerweise unproblematisch, solange der Strommesswiderstand zwischen Ausgangskondensator und Last liegt. Befindet sich der Messwiderstand dagegen zwischen der Ausgangsinduktivität und dem Ausgangskondensator, können gravierende Probleme entstehen.

Wie einfach sich das Kompensieren des Kabel-Spannungsabfalls gestalten kann, zeigt Bild 2. Es handelt sich hier um einen von 12 V auf 5 V umsetzenden Abwärtswandler, der sich als USB-Ladegerät für den Automotive-Bereich anwenden lässt. Der Wandler wäre in diesem Fall in einen Stecker eingebaut, der in eine 12-V-Steckdose gesteckt wird und von dem ein Kabel zum jeweiligen Verbraucher führt. Herzstück der Schaltung ist das Regler-IC U1, das den Regelkreis schließt und die Leistungsschalter des Abwärtswandlers enthält. Innerhalb des IC wird die am Feedback-Pin liegende Spannung mit einer Referenzspannung von 1 V verglichen.

Mit dem Resultat dieses Vergleichs wird das Tastverhältnis der Leistungsschalter eingestellt. Da die Spannung am Feedback-Pin durch den Spannungsteiler R5/R7 bestimmt wird, regelt die Schaltung die an TP9 liegende Spannung auf 5 V. Der Verstärker U4A subtrahiert das an TP4 abgegriffene stromabhängige Spannungssignal. In dieser Schaltung beträgt der Ausgangsstrom 2,5 A, sodass am Strommesswiderstand eine Spannung von 125 mV abfällt. Die 3 mV betragende Offsetspannung des Differenzverstärkers wird auf etwa 10 mV verstärkt, was einen Anfangsfehler von rund 2 % ergibt. Dieser Fehler lässt sich reduzieren, wenn ein besserer und teurerer Verstärker verwendet wird. Diese Schaltung kann bei einer Stromabtast-Spannung von 125 mV und einer Verstärkung von 5 im Verstärker einen Kabel-Spannungsabfall von rund 625 mV kompensieren.

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