電源技巧:不要讓USB電壓下降減慢充電器的速度

2021-02-13 EDN電子技術設計

一個常見的USB電纜接口接觸電阻大約為30mΩ。由於有4個觸點(電纜每端兩個)，這表示總電阻為0.12Ω。假定每條電源線的長度為1m，並且使用的是一條標準24AWG線纜，那麼總的線纜電阻為0.166Ω。預計的電纜和觸點總電阻為0.286Ω。如果5V轉換器被設計用來提供一個最大值為2.1A的輸出電流，那麼電纜上的預期壓降將為0.6V。對於5.0V的固定轉換器電壓，電纜末端上的電壓將下降到4.4V。對於USB設備來說，這個電壓值為較低的電壓限值，高電流負載產生潛在問題的原因顯而易見。使用更重的USB電纜會有所幫助，而超長USB電纜，使用較小線規線纜，將會使充電率低於最大值。必須採取某些措施來進一步增加充電電流。

一個常見的解決方案就是儘可能地將典型值為5.0V的無負載輸出設定電壓提高到5.15V至5.20V(對於USB 3.0來說，最大值為5.25V)。這個解決方案在最大2.1A電流時提供足夠(雖然仍舊為最小值)淨空。而對於更高的負載電流，這個方法很快就會難以支撐。

另外一個方法使用的是諸如TPS2511的專用充電埠控制器。這個器件監視USB數據線路，並且將正確的電氣籤名自動提供給充電兼容器件;它還具有一個電流限制功能。它的電流感測 (/CS) 引腳在輸出電流為限流閥值電阻器所設定的最大電流的一半時下拉為低電平。如圖1所示，將這個引腳通過一個電阻器與5V電源的反饋電阻器相連(請見TPS2511數據表中的圖33)將增加輸出電壓。這就將電壓下降減少了大約50%。設計示例請參見雙埠汽車USB充電器參考設計。

圖1：電流感測增加在負載為50%時提高輸出電壓，以應對電壓下降

圖2中的方框圖詳細給出了一個線性增加轉換器輸出電壓，以補償電纜損耗，並且保持電纜末端電壓恆定的方法。這個解決方案增加了一個感測電阻器來監視輸出電流。一個差分放大器增加感測電阻器上的電壓，並且使用這個電壓來將一個電流注入到控制器的反饋 (FB) 引腳內。如需進一步了解這個方法的詳細信息，請參見「電源技巧：補償電纜上的電壓下降」。

圖2：電流感測持續調整反饋，以便在負載上保持一個穩定電壓

這些技術只是應對電壓下降、儘可能縮短充電時間的幾個方法。

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