利用遠端感測功能減少線路電壓降

當電源轉換器供電給負載時，若負載端的實際電壓低於轉換器的額定輸出電壓，主要可能是兩個因素導致的：一是輸出電壓中的漣波過大，二是傳輸線路的導線阻抗產生電壓降 (IR Drop)。本文將介紹直流轉換器的遠端感測電壓功能，該功能透過感測腳位直接連接至負載端，可補償傳輸線的電壓降，提升負載端電壓的準確度。最後，本文將透過實驗驗證遠端感測功能的有效性，確認其是否能有效降低線路上的電壓降。

 

緒論

電壓降是指電流通過電阻時產生的電位差。電壓降不僅會降低轉換效率，還會影響系統的正常運行。根據歐姆定律，當電流固定時，線路電阻與電壓降成正比。因此，減少線路電阻有助於降低功率損失，提升轉換效率。

除了降低效率外，過大的電壓降可能會導致以下問題：

• 電氣性能下降 : 當電壓降增加，負載端的電壓低於設備的額定輸入電壓時，設備的性能會受影響。例如，電風扇的轉速變慢，電熱水器的加熱效果變差等。
• 系統無法啟動 : 若負載端電壓低於設備的啟動電壓，可能會觸發欠壓保護機制，導致設備無法運行。如果系統未設有欠壓鎖定，則設備可能進入不完全導通狀態，進一步增加待機功耗。
• 增加熱損失 : 對於需要穩定功率的設備 (如冷氣、冰箱)，當輸入電壓降低時，設備會增加電流來補償功率需求，這會導致電線與設備發熱，嚴重時甚至可能燒毀設備或觸發過溫保護。

• 數位電路邏輯判斷錯誤 : 在數位電路中，IC 需要穩定的電壓來確保邏輯運算的正確性。如果電壓降過大，可能導致 IC 腳位的高低電位識別錯誤，進而影響整體系統的運行。圖1是數位電路的邏輯電位判斷，可以看到高、低電位都各有0.3V的浮動空間，一旦輸入電壓誤差超過0.3V，該IC腳位就無法判別當下的邏輯狀態。

綜合上述影響，電壓降對於電子設備的穩定運行至關重要。減少電壓降可以使系統的輸入電壓更接近額定值，確保設備正常運作。本篇文章將探討各種降低電壓降的方法，並著重介紹直流轉換器的遠端感測功能如何補償傳輸線的電壓降。最後，透過實驗驗證遠端感測功能在改善負載端電壓方面的效果。
 

降低電壓降的方法

為了有效改善電壓降對負載電壓的影響，本文提出3點降低線路電阻的對策:

(1) 縮短電源轉換器與負載的距離

銅線的電阻與其長度成正比，與截面積成反比。因此，若系統對電壓降高度敏感，在空間允許的情況下，應盡量縮短轉換器與負載之間的佈線距離，以降低銅線電阻。此外，增加銅線寬度可提升截面積，進一步減少電阻，同時提高銅線的耐流能力。

(2) 增加PCB銅箔厚度

除了增加PCB銅線寬度，銅箔的厚度也會影響電阻。銅箔厚度通常以oz（盎司）為單位，表示1oz的銅均勻覆蓋於1平方英呎面積上時的厚度，例如1oz的銅箔厚度約為35μm。PCB常見的銅箔厚度有1oz、2oz和3oz，在電源轉換器應用中，通常選用2oz或3oz的銅厚。增加銅厚不僅能提升耐流能力並降低電阻，還能有效增強散熱效果。

(3) 遠端感測電壓功能

直流轉換器具有遠端感測(Remote Sense)功能，透過遠端感測腳位與負載端連接可以直接量測到負載電壓，並將量測到的電壓訊號回饋給轉換器，經由轉換器內部的控制電路調整輸出電壓，讓負載端電壓維持額定值，如圖2。

具備遠端感測功能的轉換器擁有兩隻感測腳位，分別是+Sense與-Sense。在使用轉換器的遠端感測功能時，需將轉換器的+Sense、輸出正端與負載正端連接，並將-Sense、輸出負端與負載負端連接，若+Sense和-Sense越接近負載端點，等效電阻越小。需要特別注意的是，如果不會使用到遠端感測功能，請避免將+Sense與-Sense空接，應該將+Sense以最短距離直接連接輸出正端，-Sense直接連接到輸出負端。一般來說會在PCB版上將+Sense與輸出正端焊點短路，-Sense與輸出負端焊點短路，如圖3所示:

若想實現遠端感測功能並降低導線的阻抗，其原理在於透過導線並聯的方式來減少等效電阻，圖4和圖5分別為未連接與有連接遠端感測的等效電路圖:

以圖4而言，由A、B端看入的等效電阻 R_th1 為 2R_wire.
以圖5而言，由A、B端看入的等效電阻 R_th2 為 : 

假設 R_wire = 0.15Ω, R_s= 0.3 Ω, 則:

若  V_o=12V  , 負載  I_o固定10A，則圖4、圖5的負載電壓 V_AB1 及 V_AB2 計算如下:

上式計算結果明顯得知，連接遠端感測之後的等效電阻比較小。成功達到了我們想要減少電壓降的目的。

遠端感測功能除了依靠接線方式減少電壓降之外，還可以調節輸出電壓。然而，對於大輸出電流的負載，單純的調整轉換器輸出電壓不但並不會減少導線上的電壓降，還會帶來轉換器溫度過高的風險。

在連接遠端感測時，感測導線建議使用遮蔽型雙絞線(Shielded Twisted Pair, STP)，目的是減少信號在傳輸過程中的衰減和避免雜訊干擾，雙絞線內部不同顏色標示的導線有助於增加辨識度，防止使用者接錯線而發生危險。

 

實驗

實驗使用一個隔離型直流-直流轉換器，將它連接電源供應器與電子負載機。由電源供應器提供輸入電壓48V，調整電子負載機決定的負載大小，測試由空載(0A)到5A(滿載)，每0.5A透過數位電表紀錄一次輸出電壓。無連接與有連接感測腳位的狀態下各做一次上述實驗流程。

圖7為本次實驗的數據作圖，觀察兩條曲線可明顯得知在連接感測腳位的情況下，逐漸加重負載的負載電壓變化平穩，更能接近我們需要的24V輸出電壓。

有連接感測腳位時的負載變化率為0.168%。而無連接感測腳位的負載變化率為0.882%，兩者明顯差異大。詳細的實驗數據如表1。

 

表 1 感測腳位實驗數據

有連接感測腳位		無連接感測腳位
空載電壓(V)	23.914	空載電壓(V)	23.917
滿載電壓(V)	23.874	滿載電壓(V)	23.708

 

除了負載變化率之外，可以從數據中計算出轉換器輸出端到負載端的阻抗，有連接感測腳位的導線阻抗為8mΩ，無連接感測腳位的導線阻抗為41.8mΩ，兩者阻抗相差約五倍，由此可見感測腳位對於減少線路阻抗非常有幫助。

由實驗結果可驗證理論推導的轉換器遠端感測接腳有助於減少線路的電壓降，使負載電壓處於重載下也能維持額定。

 

結論

本文提出轉換器遠端感測功能可以減少線路電壓降，首先說明了電壓降對於系統的影響，並介紹了3種有效減少電壓降的方法。其中遠端感測電壓功能作為本篇主軸，先是透過理論推導進行阻抗分析，隨後通過實驗比較有無連接感測功能的差異，驗證了轉換器遠端感測電壓功能可以有效降低線路電壓降，維持系統運行。

 

 

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