軌至軌電源監(jiān)視高達 80V 或甚至更高的電壓

引言

隨著當今電子產(chǎn)品設計復雜程度的不斷增加，管理功耗及優(yōu)化整體效率變得愈加重要。從工業(yè)和電信應用到汽車和醫(yī)療設備，準確的電源電壓和電流監(jiān)視對于其中的節(jié)能和可靠性保證都是十分關鍵的。電路板級的電源監(jiān)視不再僅見于機架和服務器，許多非傳統(tǒng)的應用也迅速成為了電源監(jiān)視的用武之地，太陽能充電器、軍事武器及先進的汽車電子產(chǎn)品等只是其中為數(shù)不多的幾種而已。更為智能的高效系統(tǒng)以及一個相互關聯(lián)度更高的世界持續(xù)激起最終用戶對于控制和掌握電氣參數(shù)的需求，旨在始終堅持綠色環(huán)保并節(jié)約寶貴的資源。

雖然分立式電源監(jiān)視解決方案可以使用一個微處理器和少量的其他組件來設計，但是系統(tǒng)開銷包括數(shù)據(jù)輪詢、參數(shù)乘法或數(shù)據(jù)分析，上佳的電源監(jiān)視 IC可提供一種能緩解諸多此類繁重任務的簡單解決方案。如果獲知了電壓、電流或功率級別，就能即時了解系統(tǒng)的健康狀況。可能只需某種參數(shù)警報就能提供故障的早期檢測，從而能夠在災難性事件發(fā)生之前采取預防性措施。或者，也可以通過掌握使用模式 (例如：吸收電流隨時間的變化情況) 來優(yōu)化系統(tǒng)。利用此類信息便可相應地進行資源的轉用，即把過度使用的部件之工作任務卸載至那些未充分使用的部件。

電源監(jiān)視器角色模型

電源監(jiān)視器有許多不同的設計方法，考慮到監(jiān)視系統(tǒng)電源輸入需要多種組件，因此這一點并不令人驚訝。為測量電流，需要采用檢測電阻器和放大器，而且，如果放大器共模范圍擴展至正電源軌并將其輸出轉移至地，則是最便利的。測量電壓需要高精度的阻性分壓器，且倘若需要監(jiān)視的電壓不止一個，那么還必須在材料清單中添加一個多路復用器。接下來是一個多通道模數(shù)轉換器 (ADC)，以及一個高精度基準和某種與微處理器實現(xiàn)接口的工具，同時還可能與相鄰的 IC共享 I/O 線。假如需要檢測最小值和最大值或警報，則必需編寫并持續(xù)不斷地執(zhí)行代碼。由于整體復雜性很高且不容易找到合適的組件，因此不難看出電源監(jiān)視適合采用集成型解決方案。

通過把所有必要的功能部件集成在一個小型 3mm x 3mm QFN 或 MS12 封裝中，凌力爾特的 LTC2945 非常適用于眾多由于空間、復雜性或成本原因而無法采用分立式解決方案的應用。LTC2945 的工作電壓雖低至 2.7V，但能監(jiān)視任何 0V 至 80V 電源軌的電壓和電流，及其自身特有的電源電壓和一個附加的電壓輸入。一個內置的并聯(lián)穩(wěn)壓器可為高于 80V 的電源提供支持。為實現(xiàn)靈活性，將檢測電阻器外置，從而允許 LTC2945 準確地監(jiān)視從 mA 級至 A 級甚至更大的電流。該 ADC 具有 12 位分辨率、一個對于電壓為0.75%以及對于電流為0.75%的最大總未調整誤差 (TUE)。而且，附加 ADC 輸入 (ADIN 引腳) TUE 也僅為 0.75%。此外，LTC2945 還集成了一個數(shù)字乘法器，該乘法器可計算一個 24 位功率結果，并把該數(shù)值與測量、狀態(tài)和用戶配置一起存儲在可通過 I2C 訪問的寄存器中。

圖 1：LTC2945 的簡化方框圖

LTC2945 正設法進入許多復雜和空間受限的應用，包括 RAID 系統(tǒng)、電信、交通運輸、太陽能監(jiān)視系統(tǒng)和工業(yè)計算機 / 控制系統(tǒng)。幸運的是：該器件只需要進行幾個簡單的連接。圖 2 示出了 LTC2945 監(jiān)視一個 3.3V 微處理器的輸入電壓和電流以及由 12V 電源供電的情形。僅需的外部組件是一個檢測電阻器和 3 個上拉電阻器。

圖 2：采用 12V VDD輸入的 LTC2945 輸入電源監(jiān)視器

由于具有很寬的軌至軌工作范圍，因此 LTC2945 適用于許多不同的低電壓和高電壓系統(tǒng)。不僅絕對最大額定值為 100V 的電源和檢測引腳提供了很大的裕量 (例如：在 48V 或 -48V 應用中)，而且零電壓檢測監(jiān)視能力在監(jiān)視短路或斷電情況下的電流水平方面完全同樣適用。零電壓時的故障電流水平能立即指示電源或負載是否出現(xiàn)故障，而不需要借助額外的電路。內部 12 位 ΔΣADC 本質上在測量窗口內對輸入噪聲求平均，因此在噪聲環(huán)境中工作并不是問題。在掃描模式中，該 ADC 分別以 25μV、25mV 和 0.5mV 的分辨率按順序連續(xù)地監(jiān)視差分檢測電壓、電源或正檢測電壓、以及備用 ADC 輸入電壓。在連續(xù)掃描模式中，轉換操作具有一個 7.5Hz 的有效刷新率，不過用戶也可進入一種瞬像模式以進行單個可選輸入的測量。在那些以節(jié)能為目標的應用中，通常高電壓監(jiān)視 IC 會預料有高靜態(tài)電流，但在此類應用中并不合用;LTC2945 在監(jiān)視 48V 電源軌時僅消耗 0.8mA 電流，并可關斷以將功耗減低至僅 20μA。

給電源監(jiān)視器供電

LTC2945 能從寬電源范圍獲取其電源，從而極大地簡化了任何應用的設計過程。圖 3a 示出了 LTC2945 用于監(jiān)視一個 4V 至 80V 電源的情形。由于 VDD電源引腳可直接連接至受監(jiān)視的電源，因此無需輔助偏置電源。假如 LTC2945 被用來監(jiān)視一個最低降至 0V 的電源，則其可從一個連接至 VDD 的寬范圍輔助電源獲得電源，如圖 3b 所示。同樣，如果接入了一個低至 2.7V 的低電壓電源，則可按圖 3c 所示來配置 LTC2945，以最大限度地降低功耗。

圖 3a：LTC2945 從被監(jiān)視的電源獲得電源

圖 3b：LTC2945 從一個寬范圍輔助電源獲得電源

圖 3c：LTC2945 從一個低電壓輔助電源獲得電源