發布日期：2022-04-28 點擊率：53
【導讀】本系列文章分為兩部分，這是第一部分。第一部分介紹數字電源系統管理器(DPSM)系列，并說明電流檢測的主要方法。另外還會介紹LTpowerPlay?并討論電能計量。第二部分探討高壓或負電源上的電流檢測及精度，并重點介紹DSPM系列的數字方面。
簡介
電路板級設計人員的任務是賦予電路板以生命，監視其健康狀況，調整設置，運行診斷，脫機進行檢查，在出現問題時排除故障，以及在無事故的情況下有序地關斷復雜的電路板。在電源設計和開發的世界里，電源管理可能不僅僅是一種需要，更是一項硬性要求。電源系統管理器聚合了多種功能，例如上電時序管理、故障檢測、裕量測試、協調關斷、測量電壓、測量電流以及收集數據進行分析。使用 LTC297x 器件測量電源電流是本文的重點1。
對于為FPGA、CPU、光收發器等高價值器件供電的電源，測量其從電源軌汲取的電流可能很重要。對于這些關鍵電源軌，電路板設計人員可以通過此數據深入了解其性能。當電流信息被測量到，且電流值為數字格式，那么器件就可以計算功率和電能，系統主機也可以執行獨特的計算、從數據中分析趨勢、安排任務等。
圍繞電流檢測這一主題已有許多技術文章和應用筆記問世，但沒有一篇是專門針對DPSM的。本文涵蓋了模擬和數字方面，并描述了用于測量低壓、高壓和負電源軌的各種支持電路。
LTC297x DPSM系列
本文的重點是內置電流測量功能的電源系統管理器。表1說明了這些器件之間的差異。
LTC2977/LTC2979/LTC2980/LTM2987 可配置用來監視電流，但存在一些限制。只有奇數通道支持電流測量，并且測量值以未縮放的單位(V)返回。這在第二部分中有更詳細的介紹。
本文重點介紹 LTC2971/LTC2972/LTC2974/LTC2975 器件，它們能夠測量輸出電流，并允許系統?軟件利用READ_IOUT命令回讀以安培(A)為單位的值。
應用筆記 AN105：幫助弄懂電流的電流檢測電路集合 介紹了廣泛的電路和使用場景。該集合的一部分適用于ADI數字電源系統管理器。
表1. LTC297x DPSM器件系列
1 除非另有說明，本應用筆記中的 LTC297x 指 LTC2971、LTC2972、LTC2974、LTC2975、LTC2977、LTC2979、LTC2980 和 LTM2987，而不包括 LTC2970。
PSM基礎
電源系統管理器提供關于電源的關鍵電壓和電流讀數的數字視圖。這是該產品系列的一個強大特性：系統主機或LTpowerPlay可以支持電路板初始啟動、調試、驗證或收集基線數據，或者尋找趨勢。雖然一些電源通道不需要精確的電流讀數，但許多關鍵的輸出通道需要高度精確的電流測量。
本文將介紹各種電流檢測選項，包括成本、復雜性和精度之間的權衡。
圖 1. LTpowerPlay 中的 READ_IOUT 遙測曲線
電流檢測選項
LTC2971?LTC2972?LTC2974?LTC2975管理器能夠精確測量輸出電流。應盡可能使用這些器件，因為它們具有專用的電流檢測引腳和PMBus命令，可提供以安培為單位的遙測值。
圖 2. 使用串聯分流器進行電流檢測
例如，將ISENSE線連接到分流器，配置幾個寄存器，剩下的工作由芯片完成。芯片會將測得的電壓轉換為電流值。LTpowerPlay將電流實時顯示為數值和遙測曲線。
圖 3. 用于輸出電流測量的 PMBus 寄存器設置
也可以使用LTC2977?LTC2979?LTC2980?LTM2987來測量輸出電流，但是，READ_IOUT命令返回的是電壓，必須由系統主機或LTpowerPlay將其轉換為安培。實踐中，這意味著固件（而不是芯片）必須存儲串聯分流器的值。
串聯分流電阻并非檢測電流的唯一方法。表2總結了DPSM系列可用的電流檢測選項及其權衡。精度、成本、電路板空間和其他因素也需要考慮。
表2. 電流檢測選項總結
分流電阻檢測
最常見的檢測方法是使用分流電阻，有時也稱為檢流電阻。無論DC-DC轉換器是開關穩壓器還是線性穩壓器，分流電阻都與輸出串聯。反饋電阻分壓器連接到輸出節點，使得分流器位于反饋環路內，這樣當施加負載電流時，穩壓器就能補償分流電阻的IR壓降，從而顯著提高負載調整率。
圖 4. 反饋回路內的檢測電阻
用于將電壓轉換為電流的PMBus命令稱為IOUT_CAL_GAIN。這是分流電阻的標稱電阻。芯片通過ISENSE引腳測量分流電阻上的小電壓降，在內部執行轉換，并使用READ_IOUT命令返回輸出電流。芯片檢測到的實際電壓可通過MFR_IOUT_SENSE_VOLTAGE命令獲得。芯片使用以下公式計算輸出電流：
使用阻性分流器時，將MFR_IOUT_CAL_GAIN_TC值設置為制造商的規格以補償溫度變化。通常，大于10 mΩ的分流器具有較低的溫度系數：<100 ppm?°C。
數據手冊規格中列出了ISENSE引腳上產生的最大差分檢測電壓。大多數LTC297x器件的差分電壓以±170 mV為限，這為大多數應用提供了足夠的范圍。最大檢測電壓計算如下：VSENSE = RSNS × IOUT(MAX) 。通常，首先確定最大檢測電壓，RSNS電流檢測電阻計算如下：RSNS = VSENSE ? IOUT(MAX)。選擇的最大檢測電壓應是一個足夠大的信號，但又不會在輸出路徑中造成功耗問題或IR壓降。50 mV至80 mV是一個很好的最大檢測電壓。選擇電流檢測電阻的物理尺寸，其功耗額定值應大于檢測電阻的計算功耗：PD = RSNS × (IOUT(MAX))2。
一種相關方法是增加一個以地為基準的電流檢測放大器(CSA)，其提供單端輸出，該輸出被饋送到管理器的電流檢測引腳。這種方法通常用于對高于大多數LTC297x管理器的6 V限值的電壓軌進行電平轉換。CSA應具有良好的高端共模性能。通常從被檢測的電壓軌和GND為此類器件供電。本文第二部分會詳細介紹這種方法。
圖 5. 用于更高電壓軌的電流檢測放大器
ADI公司提供了許多易于使用且小尺寸的非PSM μModule?器件。PSM管理器是很好的配套器件，可控制上電時序并實施監控。大多數μModule器件都有內置電感，但有些還集成了上方反饋電阻，因此無法在反饋環路內添加外部分流電阻。應當選擇允許使用外部上方反饋電阻以獲得最高電壓精度的μModule器件。
電感DCR檢測
DCR檢測是一種通過降壓穩壓器的輸出電感檢測電流的方法。電感可以用理想電感和一個稱為DCR的串聯電阻來建模（見圖6）。這通常是高電流(>20 A)電源軌的首選方法。增加的阻性分流器是一個額外的元件，會消耗功率并產生熱量。
要在電感上進行檢測，必須能夠接觸到電感的兩端，并且必須在檢測點和LTC297x檢測引腳之間插入一個濾波器網絡。濾波器網絡是一個兩級差分RC低通濾波器。為了方便和減小尺寸，可以使用4元件電阻陣列。電阻值的選擇應使IR壓降足夠小，以防止LTC297x輸入電流造成誤差，同時又足夠大，以使電容值小于1 μF。
LTC2971?LTC2972?LTC2974?LTC2975數據手冊提供了關于選擇RC值的指南。
示例：
假設L = 2.2 μH，DCR = 10 mΩ， fSW = 500 kHz
令Rcm1 = Rcm2 = 1 kΩ
圖 6. 使用 2 極點低通濾波器的 DCR 電感檢測
DCR檢測可實現電流的無損測量，但由于電感繞組電阻或DCR的差異，精度會受到影響。電感DCR規格高達±10%或只有一個最大值的情況并不少見。實際的DCR值會因電感和批次而異。
另一種濾波方案僅使用兩個電阻和兩個電容，因而元件數量從八個減少到四個，但濾波器的性能不如圖7所示的好。
圖 7. 使用簡化低通濾波器的 DCR 電感檢測
PMBus配置
要利用PMBus命令配置LTC297x，可使用IOUT_CAL_GAIN命令設置分流電阻或電感DCR的標稱值。對于銅線纏繞的電感，DCR會隨著電感溫度升高而增加，這會在READ_IOUT讀數中引入誤差。使用MFR_IOUT_CAL_GAIN_TC命令設置銅的溫度系數可補償此誤差。在數據手冊中，該值的默認值為3900 ppm?°C。用戶可能需要調整該值以匹配電感，因為當導線是合金而非純銅時，此參數可能會大幅改變。MFR_IOUT_CAL_GAIN_THETA表示熱時間常數，可對其進行設置。LTC297x數據手冊詳細介紹了這些內容。
必須將溫度傳感器（二極管連接的雙極性晶體管）靠近電感放置，以實現更準確的電流溫度補償。LTC2971?LTC2972?LTC2974?LTC2975器件具有連接到傳感器的TSENSE引腳。
IMON
IMON引腳在許多穩壓器（包括開關和線性）中越來越受歡迎。這些穩壓器有一個電流檢測輸出引腳，藉此可監視穩壓器的負載電流。IMON方法的優點在于它是無損的，并且無需擔心共模電壓，因為LTC297x ISENSE引腳不連接到VOUT。IMON引腳是單端輸出信號，代表輸出電流的一小部分，它可以是電壓輸出或電流輸出，需要一個電阻連接到GND。電流輸出IMON引腳允許用戶選擇電阻值，從而設置最大滿載電壓。
單端電壓可以是比電流分流器或電感DCR兩端產生的電壓大得多的信號。LTC2972和LTC2971器件甚至有一個配置位來支持更大的信號電平，它被稱為imon_sense位。該位位于MFR_CONFIG命令中，是一個分頁命令。
圖 8. MFR_ConFIG 寄存器中的 IMON 位
選擇的IMON電阻值應使得在所有負載條件下都能提供寬動態范圍。一般情況下，IMON精度在中負載和重負載電流條件下較好，但在輕負載下會下降。有關更多詳細信息，請查閱穩壓器的數據手冊規格。
圖 9. PSM 利用 IMON 測量電流
一些穩壓器將限流功能與IMON引腳結合在一起，該引腳可稱為IMON?ILIM。請注意，所選的IMON電阻值不應使得IMON電壓在滿載時會激活限流電路。示例包括線性穩壓器，例如 LT3072 和 LT3086。其他例子有 LT3094 和 LT3045等，一個ILIM引腳起到限流作用，可用作輸出電流監視器。對于某些開關穩壓器，該引腳可稱為IMON，內置的限流功能可能并不明顯。示例包括 LT8652S 和 LT8708。限流電路具有折返功能，不會關閉輸出。若要關閉輸出， LTC298x 會檢測過流狀況并將VOUT_EN拉低，從而禁用穩壓器輸出。
輸入電流檢測
一個電源系統可能有一個輸入電源，其為多個下游穩壓器供電。輸入電源電流可由LTC2971、LTC2972或LTC2975進行測量。使用LTC2971?LTC2972?LTC2975測量IIN非常簡單，因為這些器件原本就有將引腳連接到VIN電流路徑中的檢測電阻RSNS的能力。IIN_SNS引腳的直接接線以VIN電源為限，對于LTC2972?LTC2975而言，該值<15V；對于LTC2971而言，該值<60V。
圖 10. VIN 電流和電壓檢測
無論是測量輸出電流還是輸入電源電流，都有一個用戶可編程PMBus寄存器可將檢測電壓轉換為電流。測量輸入電源電流時，使用PMBus寄存器MFR_IIN_CAL_GAIN，然后便可從READ_IIN寄存器讀取輸入電源電流。
圖 11. 用于 VIN 電流測量的 PMBus 寄存器
我們不僅可以測量電流，還可以測量電壓。PMBus命令分別為READ_IIN和READ_VIN。利用電流、電壓和時基，LTC2971?LTC2972?LTC2975還能計算輸送給系統的功率和電能。蓄能器將在下一節中描述。
LTC2971能夠檢測60V電源軌上的輸入電源電流。IIN_SNS引腳可以直接連到電源輸入上的檢測電阻。對于24V以上的電源電壓，建議使用降壓穩壓器通過VPWR引腳為LTC2971供電，這樣可節省功率并避免LTC2971自發熱。由于VPWR × IPWR會產生功耗，可能導致芯片溫度升高到預期以上。 ADP2360 具有一個固定5 V選項，可為降壓穩壓器提供低成本、小尺寸的解決方案。
圖 12. 使用 LTC2971 檢測高壓 VIN 電流和電壓
電能計量
監視電能使用可能很重要。無論輸入電源是開關穩壓器、太陽能電池板輸出還是電池電源，了解系統消耗的總電能可能很有用。LTC2971?LTC2972?LTC2975能夠檢測輸入電源的高端電流。此特性允許管理器測量輸入電源電流。LTpowerPlay對于探索與輸入電源電流和電能讀數相關的特性非常有用。選擇READ_EIN命令后，遙測窗口就會顯示電能累計結果的實時曲線。
圖 13. LTpowerPlay 繪制的實時電能圖
電表還會測量輸入電源電壓，因此也能夠報告輸入功率。由于電能是功率和時間的乘積，因此累計電能是根據管理器的內部時基提供的。GUI右上角顯示的儀表提供了更多信息。指針是輸入功率（以瓦特為單位）的實時指示器，較小的五個刻度盤顯示總累計電能，類似于家用電表。為方便起見，還提供了數字讀數。
圖 14. LTpowerPlay 中的電表
LTpowerPlay提供一個簡單易懂的界面，其中匯集了輸入和輸出電流、電壓、功率、電能讀數。
輸入電流、輸入電壓、輸入功率和輸入電能可以表格形式查看，這些值顯示在GUI的遙測部分。MFR_EIN寄存器保存累計電能值（以毫焦耳為單位）。還有一個電能累計器處于活動狀態的總時間，顯示為MFR_EIN_TIME寄存器。當單位從mJ變為J再到kJ時，GUI會自動更新所顯示的SI前綴。
圖 15. 與輸入電源電壓、電流、功率和電能相關的遙測視圖
表3總結了可以從LTC297x回讀的所有遙測數據。寄存器是I2C?PMBus字讀取，但MFR_EIN寄存器除外，它是塊讀取。
表3. 遙測總結
1. 如果設置了adc_hires位，則READ_VOUT值以mV為單位返回。L11格式。
2. 塊讀取，包括以mJ為單位的電能值和以ms為單位的經過時間。
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