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Analog-Grundlagen Kompensation von Kabelverlusten ohne Fernabtastung

| Autor / Redakteur: Robert Kollman / Kristin Rinortner

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

powerserie61
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(Quelle: Redaktion Elektronikpraxis)

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 ein  Spannungsabfall von 0,5 V 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.

Bild 1: Ein einziger Operationsverstärker reicht aus, um den Spannungsabfall am Kabel zu kompensieren.  (Bild: TI) Bild 1: Ein einziger Operationsverstärker reicht aus, um den Spannungsabfall am Kabel zu kompensieren. (Bild: TI)

Ein einfacheres Konzept, das ohne den Transkonduktanz-Verstärker auskommt, ist in Bild 1 zu sehen. Am Ausgang des Verstärkers U1B liegt die Ausgangsspannung abzüglich der verstärkten Strommess-Spannung. Wenn der Verstärkerausgang durch eine Regelung konstant gehalten wird, wird die Ausgangsspannung U0 somit umso höher, je mehr der Laststrom ansteigt. Wenn man die Werte von R1, R3 und R4 passend wählt, lässt sich dieses Verhalten nutzen, um die Reduzierung von Vo durch den Spannungsabfall am Kabel genau auszugleichen.

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 U0 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, 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 Steckverbinder 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.

Bild 2: Diese Kompensationsmethode kommt mit einem Verstärker weniger aus als die traditionelle Lösung  (Bild: VBM-Archiv) Bild 2: Diese Kompensationsmethode kommt mit einem Verstärker weniger aus als die traditionelle Lösung (Bild: TI)

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.

Bild 3: Die Kurven zeigen anschaulich, wie der Spannungsabfall am Kabel kompensiert wird  (Bild: TI) Bild 3: Die Kurven zeigen anschaulich, wie der Spannungsabfall am Kabel kompensiert wird (Bild: TI)

Bild 3 zeigt an drei Kurven die Leistungsfähigkeit dieser Schaltung. Dargestellt sind die unkorrigierte Ausgangsspannung bei einem Kabelwiderstand von 0,25 Ω , die Ausgangsspannung des Netzteils mit Kompensation des Kabel-Spannungsabfalls und schließlich die Spannung am Verbraucher mit kompensiertem Kabel-Spannungsabfall. Die mit ‚uncomp Vo‘ bezeichnete Kurve macht deutlich, dass die Ausgangsspannung ohne Kompensation des Spannungsabfalls aus dem 5-%-Fenster herausfallen würde.

An der Kurve ‚comp PS Vo‘ ist zu sehen, wie sich die Ausgangsspannung des Netzteils mit Kabel-Kompensation über einen Laststrombereich von 0 bis 2,5 A um etwa 600 mV verändert. Die Spannung wird ohne angeschlossenen Verbraucher auf 4,92 V geregelt, was bezogen auf den Sollwert von 5,00 V einem Fehler von ca. 1,6 % entspricht. Dies ist weniger als der potenzielle Worst-Case-Fehler.

Die entscheidenden Fehler-Terme sind die Referenz-Genauigkeit (0,7 %), die Spannungsteiler-Widerstände R4 und R7 (1,6 % bei Verwendung von 1-%-Widerständen) und die Offsetspannung von U4A (0,3 %). Die mit ‚comp cable Vo‘ bezeichnete Kurve schließlich zeigt, welche Spannung bei aktiver Kabel-Kompensation am Ende des Kabels am Verbraucher anliegt.

Wie man sieht, wird die angestrebte Genauigkeit von 5 % mit dieser Methode problemlos erreicht. Es sind also nur wenige preisgünstige Bauelemente erforderlich, um die Ausgangsspannung eines Netzteils mit zunehmendem Laststrom ansteigen zu lassen. In vielen Fällen fällt die zusätzliche Komplexität, die durch diese Schaltung entsteht, gegenüber dem Aufwand für eine Fernabtastung der Ausgangsspannung nicht ins Gewicht.

Nicht zuletzt ist diese Lösung sicherer, wenn man die möglichen Probleme mit den für die Fernabtastung erforderlichen Verbindungsleitungen betrachtet. Die Auswirkungen auf die Kompensation der Regelschleife sind gering, solange der Strom nach dem Ausgangskondensator abgetastet wird.