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Kompensation von Leitungs-Spannungsabfällen bei einem Buck-Regler

Bild 2 zeigt ein komplettes System zur Spannungsabfall-Kompensation an einer Leitung. Es besteht aus einem 3,3 V/5 A Buck-Regler und einem LT6110. Letzterer regelt die Spannung an dem entfernten Verbraucher, der über ein gut 6 m langes Kabel der Stärke 18 AWG (0,823 mm²) angeschlossen ist. Aufgrund des 5 A betragenden Ausgangsstroms des Buck-Reglers wird ein externer Messwiderstand benötigt.

Der maximale Laststrom I_LOAD von 5 A bewirkt bei 140 mΩ Leitungswiderstand und einem R_SENSE von 25 mΩ einen Spannungsabfall von 825 mV. Zur Regelung der am Verbraucher ankommenden Spannung V_LOAD für 0 ≤ I_LOAD ≤ 5 A muss das Produkt aus I_IOUT und R_FA gleich 825 mV sein. Es bestehen zwei Designoptionen: man kann entweder I_IOUT festlegen und daraufhin den Widerstand R_FA berechnen oder die Rückführwiderstände des Reglers für einen sehr geringen Strom berechnen und anschließend den Widerstand R_IN für den gewünschten I_IOUT-Wert berechnen.

Im Normalfall wird I_IOUT auf 100 µA eingestellt (der Fehler von I_IOUT beträgt ±1 % zwischen 30 µA und 300 µA). In Bild 2 beträgt die Stromstärke im Rückführweg 6 µA (V_FB/200 kΩ). Der Widerstand R_FA hat einen Wert von 10 kΩ, und der Widerstand R_IN muss so berechnet werden, dass I_IOUT · R_FA genau 825 mV ergibt (siehe Formel 1).

Ohne Kompensation des Spannungsabfalls an der Leitung beträgt die maximale Änderung der am Verbraucher liegenden Spannung (ΔV_LOAD) 700 mV, nämlich 5 A · 140 mΩ, was bei 3,3 V Ausgangsspannung einem Fehler von 21,2 % entspricht. Der LT6110 reduziert ΔV_LOAD auf nur 50 mV bei 25 °C, was einem Fehler von nur mehr 1,5 % entspricht. Die Lastregelung verbessert sich somit um eine ganze Größenordnung.

Präzise Lastregelung

Für eine moderate Verbesserung der Lastregelung mit dem LT6110 bedarf es keiner exakten Abschätzung des Leitungswiderstands R_WIRE. Der Lastregelungsfehler ist das Produkt zweier Fehler, nämlich des Fehlers infolge des Leitungswiderstands und des Fehlers, der durch die Kompensationsschaltung des LT6110 entsteht. In der Schaltung aus Bild 2 sorgt der LT6110 selbst bei einem Fehler von 25 % bei der Berechnung von R_SENSE und R_WIRE dafür, dass sich der V_LOAD-Fehler auf 6,25 % verringert.

Für eine präzise Lastregelung ist es jedoch notwendig, den Widerstand zwischen Stromquelle und Verbraucher exakt abzuschätzen. Werden R_WIRE und R_SENSE sowie die Widerstände der Leitungs-Steckverbinder und Leiterbahnen, die in Reihe mit der Leitung liegen, präzise geschätzt, kann der LT6110 einen weiten Bereich von Spannungsabfällen mit hoher Genauigkeit kompensieren.

Mit dem LT6110 ist es bei exakter Abschätzung von R_WIRE und bei Verwendung eines Präzisions-Messwiderstands möglich, den ΔV_LOAD-Kompensationsfehler so weit zu reduzieren, dass er über beliebig lange Leitungen dem Spannungsfehler des Reglers entspricht.

Fazit

Der Cable/Wire Voltage Drop Compensator LT6110 verbessert die Spannungsregelung an einem entfernten Verbraucher, wenn die Regelung durch hohe Stromstärken, große Leitungslängen und hohe Widerstände gravierend beeinträchtigt würde. Eine präzise Regelung ist auch ohne zusätzliche Messleitungen, Kelvin-Widerstände, größere Leiterquerschnitte oder Point-of-Load-Regler, die als Nachteile anderer Lösungen anzuführen sind, möglich. Kompensator-Lösungen kommen stattdessen mit wenig Platz aus und minimieren die Designkomplexität und die Bauelementekosten.

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