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Spannungsschwankungen durch Versorgungsleitungen verhindern

| Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

Power-Tipp: Wie Spannungsschwankungen über die Versorgungsleitungen einkoppeln können.
Power-Tipp: Wie Spannungsschwankungen über die Versorgungsleitungen einkoppeln können. (Bild: VCG)

In diesem Power-Tipp zeigen wir, wie durch zusätzliche Kelvin-Sense-Leitungen oder Bausteine zum Ausgleich von Spannungsabfällen über die Leitung Lasten mit einer höheren Spannungsgenauigkeit versorgt werden können.

Spannungsversorgungen wie Schaltregler oder Linearregler regeln eine eingestellte Spannung, um eine Last mit elektrischer Energie zu versorgen. Die Genauigkeit der Regelung ist von vielen Parametern abhängig. Die AC-Genauigkeit richtet sich danach, wie sich die erzeugte Spannung bei Lasttransienten verhält. Daher sind für die AC-Genauigkeit die ausgewählte Leistungsstufe, Stützkondensatoren sowie die Architektur und Auslegung der Regelschleife entscheidend. Bei der DC-Genauigkeit spielen Spannungsreferenz, Spannungsteiler und das Verhalten des Fehlerverstärkers eine Rolle.

Neben den genannten Einflüssen auf die Genauigkeit der Versorgungsspannung müssen noch weitere Effekte berücksichtigt werden. Wird eine Spannungsversorgung räumlich getrennt von der zu versorgenden Last eingesetzt, gibt es einen Spannungsabfall zwischen der geregelten Spannung und dem Ort, an dem die elektrische Energie benötigt wird. Dieser Spannungsabfall richtet sich nach dem Widerstand, der zwischen der Spannungsregelung und dem Verbraucher liegt. Dies kann ein Kabel mit Steckverbindern oder auch eine längere Leiterbahn auf einer Leiterplatte sein.

Bild 1 zeigt den Widerstand, der zwischen der Spannungsversorgung und der Last liegt. Um Spannungsverluste über diesem Widerstand auszugleichen, kann man die Versorgungsspannung etwas anheben. Leider ist der resultierende Spannungsabfall über dem Leitungswiderstand jedoch abhängig vom Laststrom, also vom Strom, der durch die Leitung fließt. Bei höherem Strom gibt es einen höheren Spannungsabfall als bei geringerem Strom. Die Last wird somit von einer recht ungenau geregelten Spannung versorgt, die vom Leitungswiderstand und dem jeweils benötigten Strom abhängig ist.

Schon früh haben Ingenieure eine Lösung für dieses Problem gefunden. Man kann eine zusätzliche Verbindung, parallel zur eigentlichen Verbindungsleitung führen. Sogenannte ‚Kelvin-Sense‘ Leitungen messen die Spannung an der Seite der elektrischen Last. In Bild 1 sind diese zusätzlichen Leitungen rot dargestellt. Diese Messwerte werden dann auf der Stromversorgungsseite in die Regelung der Versorgungsspannung mit eingebunden. Das Konzept funktioniert sehr gut, hat jedoch den Nachteil, dass zusätzlichen Messleitungen benötigt werden.

Um den Spannungsabfall über einer Verbindungsleitung zwischen Stromversorgung und Last auszugleichen, gibt es auch eine Möglichkeit ohne zusätzliche Messleitung. Dies ist besonders interessant bei Anwendungen, in denen komplexe Kabel aufwändig und teuer sind und bei Anwendungen, in denen sich EMV Störungen leicht auf die Spannungsmessleitungen einkoppeln würden.

Die zweite Möglichkeit nutzt einen Leitungsabfall-Ausgleichs-IC wie den LT6110. Der Chip wird auf der Seite der Spannungserzeugung eingefügt und misst den Strom, bevor dieser in die Verbindungsleitung eintritt. Anhand dieses gemessenen Stromes wird die Ausgangsspannung der Stromversorgung so angepasst, dass auf der Seite der Last, unabhängig vom Strombedarf, eine sehr genau geregelte Spannung vorliegt.

Bei einem Baustein wie dem LT6110 kann die Spannung der Stromversorgung abhängig vom jeweiligen Laststrom eingestellt werden. Für diese Einstellung ist jedoch muss der Ingenieur jedoch den Leitungswiderstand kennen. In vielen Anwendungen ist der Leitungswiderstand bekannt, in machen Anwendungen jedoch nicht. Wenn also eine Verbindungsleitung gegen eine längere oder kürzere während der Lebenszeit eines Gerätes ausgetauscht wird, müsste man auch die vom LT6110 bewirkte Spannungskompensation neu anpassen.

Wird der Leitungswiderstand während des Gerätebetriebs verändert, sorgen spezielle Bausteine für eine hohe Spannungsgenauigkeit an der Last. Der LTC4180 beispielsweise simuliert den Widerstand einer Leitung über die AC-Signale. Voraussetzung ist ein Eingangskondensator auf der Lastseite.

Fazit: Für eine gut geregelte Versorgungsspannung ist also nicht nur der Spannungswandler an sich, sondern auch die Versorgungsleitung zur Last relevant. Durch zusätzliche Kelvin-Sense-Leitungen oder Bausteine zum Ausgleich von Spannungsabfällen über die Leitung, können Lasten mit höherer Spannungsgenauigkeit versorgt werden.

* Frederik Dostal arbeitet als Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

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