妙用“虛擬遠端采樣“改善負載調節性能（一）

當電源和負載之間存在較大壓降時，準確調節負載電壓可能很難。即使穩壓器在自己的輸出端產生非常穩定的電壓，負載電流的變化也會影響沿導線產生的IR壓降，從而在負載端導致極大的電壓波動(圖1)。

圖1：通過電阻性互連線實現最簡單的負載調節模型。

在負載側改善調節的傳統解決方案包括增加額外的導線以進行遠端采樣(圖2)，但是增加額外的導線并不是一種可行的理想方案。一種新的控制方法是“虛擬遠端采樣(VRS)”，該方法很容易地取代了常規解決方案，并可避免常規解決方案的隱患，而且在某些情況下還解決了以前無法解決的問題。

圖2：遠端采樣解決負載調節問題，但是在分壓器上增加了導線。

傳統的負載端調節方案

虛擬遠端采樣解決了在長導線末端保持負載穩定的問題，這種方法比直接遠端電壓采樣、壓降補償、和負載端調節等常規遠端采樣方法更易采用，且效果更好。

第一種傳統方法是直接遠端采樣(圖2)，該方案可實現極好的負載端調節，但是需要兩對導線：一對提供負載電流，另一對測量負載端的電壓，以便實現恰當的調節。遠端采樣需要先見之明，必須設計到系統里。除非有一對額外的檢測導線準備好待用，遠端采樣不可能事后實現。

第二種傳統方法是壓降補償，這不需要額外的導線，但是卻需要仔細估計負載線路的壓降。對電源電壓進行調節，以補償估計的互連線壓降。不過，既然壓降僅是估計值而不是測量值，那么這種方法的準確性值得商榷。

第三種傳統方法涉及直接在負載端放置一個穩壓器。這既保證了準確度，又簡化了布線，但是穩壓器在負載端占用寶貴的空間、降低了電源系統的總體效率且靠近負載的功耗升高了。在工業和汽車系統中，在負載端的嚴酷環境中放置一個穩壓器也許是不可能的。

VRS 避開了所有這些限制，同時在多種條件下實現了令人贊嘆的負載調節效果。

什么是 VRS?

圖3顯示了一個簡化的虛擬遠端感測系統原理圖，由一個電源或通過電阻性互連線(由導線和連接器組成)驅動負載的穩壓器組成。如果不采用VRS，電源電壓 (VSUPPLY)和DC電流(ILOAD) 是已知的，但是沒法確定多少電壓提供給了負載，多少電壓損失在導線中，因此無法實現恰當的負載電壓調節。

圖3：虛擬遠端采樣易于實現。

LT4180 VRS 通過查詢線路阻抗和動態補償壓降解決了這個問題。該器件通過使輸出電流在所需輸出電流的95%和105%之間交替變化來工作。換句話說，LT4180強制電源提供一個DC電流加上一個峰峰值幅度等于DC電流10%的電流方波。去耦電容器C(通常在非VRS系統中確保低阻抗，以實現恰當的負載瞬態)還承擔了一個附加的角色 ──從VRS方波中濾除電壓瞬態。

因為C的大小可以改變，以在方波頻率上產生“AC 短路”，所以在電源端產生的查詢電壓方波等于 VSUPPLY(AC) = 0.1 ? IDC ? R，以VP-P來衡量。這個在電源端測得的電壓方波峰峰值幅度等于DC導線壓降的1/10。這不是估計值，它是導線上通過全部負載電流時直接測量的壓降。通過小信號處理，從這個AC信號中產生了一個DC電壓，這個 電壓引入電源的反饋環路，以提供準確的負載調節。

那么VRS有多有效?

LT4180的靜態負載調節如圖4所示。在這種情況下，負載電流從零開始升高，直至在導線中產生一個2.5V的壓降為止。負載端電壓在最大電流時僅比電流為零時下降73mV。甚至導線內壓降等于標稱負載電壓的50%時，負載端的電壓仍然保持在無負載電流值的1.5%之內。導線壓降不那么大時，會產生更好的結果。

圖4：在極寬的穩壓器至負載導線壓降范圍內，LT4180的靜態負載調節令人印象深刻。

VRS極度靈活

LT4180幾乎可與任何電源或穩壓器一起使用：線性或開關式、隔離或非隔離式。電源可以同步或不同步至LT4180。為了滿足各種系統和電源需求，VRS工作頻率可以在超過以千計的范圍內調節。它還提供擴頻工作模式，以部分起到抗單音干擾的作用。其較大的輸入電壓范圍簡化了設計。

用 VRS 解決以前不可能解決的問題

除了提供可替代常規方法的解決方案，VRS還在電池充電、工業和以太網、照明、測井以及其它應用領域創造了以前不可能獲得的機會。

改善電池充電器

圖5示意了一個粗略的電源系統，用于筆記本電腦、PDA、蜂窩電話或便攜式娛樂設備。一個外部電源/電池充電器用來最大限度地減小便攜式電子設備的尺寸。充電器僅在該設備關閉且沒有吸取電流時才能正確工作。當電池接近滿容量時，電池充電電流(IBAT)接近為零。如果I=0，那么電池充電器電壓VSUPPLY等于電池浮充電壓，而且充電終止功能正確啟動。

圖5：一種(有缺點的)電池充電架構旨在用一個外部電池充電器減小設備尺寸。

但是如果系統穩壓器吸取電流，會發生什么問題?電池電壓VBAT可能低于所需電池充電器電壓VSUPPLY，因此使充電速度變慢，甚至完全停止充電。互連線電阻不可能降到足夠低來解決這個問題。1%的鋰離子浮充電壓準確度要求轉換為42mV浮充電壓誤差(就單節鋰離子電池而言)。因為還存在其它浮充電壓誤差源，所以導線壓降必須保持遠低于這個值。

傳統解決方案采用像圖6所示那樣的復雜架構，這種架構在設備中納入了充電器和一個電源路徑控制器。盡管這樣可以降低與導線有關的充電誤差，但是也增大了設備的尺寸和設備內部的功耗，因為充電器和電源路徑控制器必須放在設備內部。

圖6：未用VRS的典型電池充電架構。

圖7顯示采用 VRS 時不打折扣的解決方案。充電器電壓在設備端得到恰當的控制，不受負載電流(I)影響，因此可以使用一個外部電池充電器電源，電源路徑控制器可以去掉。

圖7：以VRS實現的簡化電池充電方案，該方案能減小設備的總體尺寸，實現圖5所示解決方案不可能實現的效果。

在以太網供電應用中非常容易補償線路壓降

以太網供電和工業應用也受益于VRS。VRS允許低壓設備(具大工作電流)在CAT5和CAT6電纜上運行，而不會產生長導線引起的壓降。甚至10V至20V的線路壓降也可以補償，從而允許在遠端使用簡單的線性穩壓器或不使用穩壓器。

下接：妙用虛擬遠端采樣改善負載調節性能（二）

更多資訊請關注：21ic模擬頻道