一款切合實(shí)際的30A能量計(jì)

作者 / Christopher Gobok 凌力爾特公司(現(xiàn)隸屬 Analog Devices 公司)混合信號產(chǎn)品高級產(chǎn)品市場工程師

摘要：本文介紹了一款集成了 30A 檢測電阻器LTC2947。

引言

　　在很多應(yīng)用中，監(jiān)視能量都有很多類似的好處。市面上廣泛提供手持式、機(jī)架式和直插式能量計(jì)，很多人都可以使用，例如，設(shè)施管理員可以用來跟蹤和分配設(shè)備或部門等使用的能量。能量計(jì)的使用也許還包括負(fù)載記錄與分析，這時(shí)比較預(yù)期能耗與當(dāng)前能量使用情況，并根據(jù)其與已建立能量模型之間的偏差，標(biāo)記需要關(guān)注的區(qū)域。通過調(diào)節(jié)負(fù)載，人們可以決定任何時(shí)刻可以連接到系統(tǒng)多少設(shè)備，例如電燈、電腦、電池等。電動(dòng)自行車和電動(dòng)汽車可以報(bào)告它們的每英里能量使用情況，量化從電池抽取或返回電池的能量。

　　盡管能量監(jiān)視應(yīng)用豐富多彩，但是市場上卻極少有能量監(jiān)視IC。很多系統(tǒng)設(shè)計(jì)師用功率監(jiān)視IC應(yīng)付，例如凌力爾特公司的100V LTC2945功率監(jiān)視器，并用一個(gè)微處理器跟蹤功率和時(shí)間信息，同時(shí)計(jì)算能量。盡管不需要復(fù)雜的編碼，但是這種解決方案的主要缺點(diǎn)是牽制了計(jì)算資源。凌力爾特的100V LTC2946能量監(jiān)視器是一款更加簡練的解決方案，提供直接能量測量，用戶能夠靈活地選擇自己的檢測電阻器，但是當(dāng)需要測量大電流時(shí)，挑戰(zhàn)就出現(xiàn)了。接下來就是凌力爾特早該推出的LTC2947能量監(jiān)視器了，該器件集成了30A檢測電阻器，對如今要求最苛刻的應(yīng)用而言，該器件能提供極其切合實(shí)際的能量監(jiān)視。

再論檢測電阻器

　　使用以檢測電阻器作為電流檢測組件的功率或能量監(jiān)視 IC進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，計(jì)算所需檢測電阻器通常是個(gè)非常容易的任務(wù)。只需應(yīng)用歐姆定律，獲取數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的滿標(biāo)度電壓，再除以負(fù)載電流即可。然后，去喜歡的電子組件分銷商的網(wǎng)站上查一下，看看有哪些真實(shí)的電阻器可用。直到開始測量兩位數(shù)的電流為止，事情都足夠簡單。

　　以LTC2946寬范圍I2C功率、電荷和能量監(jiān)視器為例，該器件的滿標(biāo)度電壓約為100mV。如果 LTC2946用來測量一個(gè)30A軌，那么需要3.3m?檢測電阻器，這種阻值的電阻器輕而易舉就可得到，但是這個(gè)電阻器會(huì)消耗2.9W功率!這個(gè)世界上即使有人，但也極少愿意為了簡單的能量測量而消耗這么大的功率。此外，因?yàn)楣β氏暮艽?，封裝絕對有可能是不“標(biāo)準(zhǔn)”的，因此相當(dāng)昂貴。例如，Digi-Key銷售的 Vishay CSM3637P 3.3m?±1% 5W檢測電阻器，如圖 1a 所示，千片批購價(jià)為每片6.90美元!其6mmx 3mmx0.6mm大型金屬鋁箔封裝實(shí)際上使該電阻器成了一個(gè)難以安裝的5W散熱器。

　　如果用LTC2946測量較小的電流，例如6A軌，那么需要16m?檢測電阻器，功耗則是更可接受的 0.57W。Digi-Key銷售松下ERJ8CW 16m? ±1% 1W 檢測電阻器，如圖1b所示，千片批購價(jià)為每片0.09 美元，也可以接受。這款電阻器采用纖巧的3.2mm x1.6mmx0.65mm 1206封裝，不難安裝，也不會(huì)占用很大的電路板空間。其實(shí)，這構(gòu)成了一個(gè)準(zhǔn)確度為2.4%的能量監(jiān)視解決方案，在-40℃至85℃工作溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，對某些應(yīng)用而言，這也許太不準(zhǔn)確了。這個(gè)2.4%還不包括LTC2946和檢測電阻器之間的外部連接(即引線和走線)產(chǎn)生的熱電偶效應(yīng)導(dǎo)致的任何不準(zhǔn)確性。

　　無論你想測量30A軌還是6A軌，一種更簡單的方式以替代LTC2946的器件就是LTC2947能量監(jiān)視器，如圖2所示，該器件集成了一個(gè)300μ?檢測電阻器，消除了使用外部檢測電阻器測量大電流的諸多難題，包括功耗、準(zhǔn)確度、溫度漂移和尺寸問題。當(dāng)測量30A滿標(biāo)度電流時(shí)，LTC2947集成的檢測電阻器上之壓降僅為10mV，從而導(dǎo)致僅約1/4W的功耗，或者測量6A軌時(shí)功耗為10mW。除了低功耗，由于其僅為-9mA(2.7μV)的低失調(diào)，LTC2947還提供很大的動(dòng)態(tài)范圍。經(jīng)過溫度補(bǔ)償?shù)哪芰孔x數(shù)確保在室溫時(shí)準(zhǔn)確度為1.2%，在-40℃至85℃的整個(gè)溫度范圍內(nèi)，準(zhǔn)確度為1.5%。此外，LTC2947采用4mm x 6mm 32引腳QFN封裝，從而非常適用空間受限設(shè)計(jì)。

能量測量

　　LTC2947測量很多參數(shù)，包括電流、電壓、功率、電荷、能量、溫度和時(shí)間。參見圖3所示方框圖。LTC2947采用3個(gè)ΔΣADC，其中，兩個(gè)測量電壓和電流，第三個(gè)ADC計(jì)算功率。在連續(xù)模式，ADC連續(xù)并同時(shí)測量電流、電壓、功率和溫度，且每隔100ms更新一次相應(yīng)的內(nèi)部寄存器。單穩(wěn)態(tài)模式觸發(fā)一組循環(huán)測量。當(dāng)無需進(jìn)行測量時(shí)，LTC2947可進(jìn)入停機(jī)模式，這時(shí)總電流消耗降至不到10μA，或進(jìn)入空閑模式，這時(shí)所有電路保持有效，并準(zhǔn)備進(jìn)入連續(xù)、單穩(wěn)態(tài)或停機(jī)模式。

　　LTC2947 1.3%的能量測量準(zhǔn)確度確實(shí)得益于其計(jì)算功率的獨(dú)特方法。與現(xiàn)有功率監(jiān)視器以一個(gè)ADC的轉(zhuǎn)換速率倍增功率不同，LTC2947執(zhí)行了一種獨(dú)特的測量方案，可實(shí)現(xiàn)最大的功率測量準(zhǔn)確度。LTC2947中的3個(gè)ADC各針對一項(xiàng)特定的任務(wù)量身打造。第一個(gè)ADC負(fù)責(zé)測量-30A至30A的電流，并運(yùn)用連續(xù)失調(diào)校準(zhǔn)確保以相同的權(quán)重對所有的輸入采樣進(jìn)行平均處理，并且不會(huì)漏失任何采樣。

　　第二個(gè)ADC在第一個(gè)ADC測量電流的同時(shí)測量內(nèi)部溫度和差分電壓。溫度被報(bào)告給主機(jī)，并在內(nèi)部被LTC2947用來補(bǔ)償內(nèi)部電流檢測電阻器的溫度漂移，從而實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的電流測量。由于LTC2947具有0V至15V的軌至軌工作范圍，因此它適用于多種類型的系統(tǒng)。不僅額定絕對最大值為20V的電源和檢測引腳為12V應(yīng)用提供了很大的儲(chǔ)備空間，而且零伏(0V)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同樣是十分有用。0V電壓下的故障電流水平能夠立即指示電源或負(fù)載是否已經(jīng)損壞，并不需要增加額外的電路。

　　測量功率和能量時(shí)，LTC2947的“秘密武器”確實(shí)藏在第三個(gè)ADC中，在進(jìn)行任何轉(zhuǎn)換平均之前，這個(gè)ADC在5MHz采樣頻率時(shí)乘以電流和電壓。你知道，在典型的功率或能量監(jiān)視IC中，用一個(gè)或兩個(gè)ADC測量電流和電壓，結(jié)果相乘以得到功率。然而，因?yàn)橥ǔＪ褂忙う睞DC，所以用來相乘的值是平均電流值和平均電壓值，這總是會(huì)導(dǎo)致一些功率誤差。LTC2947并未進(jìn)行平均值的乘法運(yùn)算，而是把電流和電壓的原始(在抽取濾波器之前)讀數(shù)相乘，然后轉(zhuǎn)換結(jié)果。這就使LTC2947能夠在電流和電壓變化高達(dá)50KHz時(shí)，準(zhǔn)確地測量功率，這種變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其轉(zhuǎn)換頻率范圍。例如，如果從一個(gè)阻抗極大的電池吸取功率，就有可能發(fā)生這種情況。

　　圖4顯示了一個(gè)在20μs時(shí)間間隔內(nèi)改變相位的電流和電壓波形的例子，還顯示了典型功率或能量監(jiān)視IC以及LTC2947是怎樣以不同的方式計(jì)算功率的。在典型功率或能量監(jiān)視IC中，功率是由平均電流乘以平均電壓得出的。在LTC2947中，功率是通過采樣(在這個(gè)例子中，使用了兩個(gè)采樣)相乘之后再平均得出的。LTC2947計(jì)算出的0.218W功率更接近實(shí)際功率，而典型功率或能量監(jiān)視IC得出的0.234W功率有7.3%的誤差。LTC2947避免了這種誤差，并在信號直至50kHz時(shí)都保持準(zhǔn)確。

　　由于電荷是隨著時(shí)間推移所消耗的電流量，而能量則是隨著時(shí)間推移產(chǎn)生的用電量，因此LTC2947對電流和功率進(jìn)行時(shí)間積分，以計(jì)算流至負(fù)載或從負(fù)載流出的電荷和能量。另外，該器件還記錄用于積分運(yùn)算的總累積時(shí)間，這里，積分時(shí)基可以由1%準(zhǔn)確度的內(nèi)部時(shí)鐘或一個(gè)100KHz至25MHz的外部時(shí)基提供。在電荷僅僅是準(zhǔn)確地確定電池充電狀態(tài)(SoC)的諸多前提條件之一的電池應(yīng)用中，電荷數(shù)據(jù)會(huì)特別有用。此外，能量數(shù)據(jù)在日常應(yīng)用中還被證明是更加常用的，因?yàn)樗蓪?shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)加載，而不是依賴靜態(tài)功率讀數(shù)以執(zhí)行操作。

數(shù)字功能的便利性

　　LTC2947提供眾多便利的數(shù)字功能，可簡化設(shè)計(jì)。最明顯的數(shù)字功能是集成了乘法器和累加器，從而為用戶提供了24位功率以及48位能量和電荷數(shù)據(jù)，減輕了大量輪詢電壓和電流數(shù)據(jù)并執(zhí)行額外計(jì)算的負(fù)擔(dān)。單獨(dú)的1.8V至5.5V數(shù)字電源使用戶能夠以不同于所監(jiān)視電源的電壓運(yùn)行邏輯電平。

　　LTC2947針對電流、電壓、功率和溫度提供最小值和最大值寄存器，因此無需軟件連續(xù)輪詢，使總線和主機(jī)有時(shí)間執(zhí)行其他任務(wù)。除了檢測和存儲(chǔ)最小/最大值，LTC2947還提供門限寄存器，可用來在任何門限被超過時(shí)發(fā)布警報(bào)，因此也無需微處理器不斷輪詢LTC2947并分析數(shù)據(jù)。在提供了規(guī)定量的能量或電荷之后，或者當(dāng)超過了預(yù)設(shè)定的時(shí)間后，LTC2947還可配置為產(chǎn)生一個(gè)溢出警報(bào)。就能量監(jiān)視器而言，警報(bào)響應(yīng)可能與最小值和最大值寄存器一樣有用，因此該器件提供了單獨(dú)的警報(bào)寄存器，允許用戶按照SMBus警報(bào)響應(yīng)協(xié)議，選擇針對哪個(gè)參數(shù)發(fā)出警報(bào)響應(yīng)，這時(shí)廣播警報(bào)響應(yīng)地址(AlertResponseAddress，簡稱ARA)，同時(shí)，ALERT引腳被拉低，以通知主機(jī)發(fā)生了警報(bào)事件。

　　用戶可以用引腳配置LTC2947，以支持標(biāo)準(zhǔn)SPI或I2C接口，與外部世界通信。有6個(gè)I2C器件地址可用，因此可以非常方便地將多個(gè)LTC2947設(shè)計(jì)到同一個(gè)系統(tǒng)中。阻塞總線復(fù)位定時(shí)器使內(nèi)部I2C狀態(tài)機(jī)復(fù)位，以在無論什么原因而使I2C信號保持低電平超過50ms(阻塞總線情況)時(shí)，允許恢復(fù)正常通信。這種廣受歡迎的阻塞總線保護(hù)功能可防止主機(jī)需要手工排除總線被固定在低電平上的故障，這種故障可能導(dǎo)致破壞性、昂貴和耗時(shí)的系統(tǒng)復(fù)位問題。LTC2947還提供分割的I2C數(shù)據(jù)線，因此無需使用I2C分配器或組合器實(shí)現(xiàn)雙向傳輸以及跨隔離邊界接收數(shù)據(jù)，這樣就非常方便了。

結(jié)論

　　LTC2947是一款便利的電路板級能量監(jiān)視器，集成了一個(gè)300μ?檢測電阻器，消除了往往在測量大電流時(shí)出現(xiàn)的常見檢測電阻器挑戰(zhàn)。無論電流大小，3個(gè)ADC都獨(dú)特地設(shè)計(jì)以為用戶提供高度準(zhǔn)確的電流、電壓、功率、能量、電荷、溫度和時(shí)間讀數(shù)。-30A至30A電流范圍和0V至15V電壓范圍允許LTC2947可采用在多種應(yīng)用中，包括存在雙向電流的應(yīng)用。

　　LTC2947提供乘法器、累加器、最小/最大值寄存器、可配置警報(bào)和功能非常強(qiáng)大的SPI或I2C接口，但是其模擬功能之強(qiáng)與其大量節(jié)省資源的數(shù)字功能不相上下。LTC2947僅占用24mm2電路板面積，是凌力爾特功率監(jiān)視產(chǎn)品線中迄今為止最切合實(shí)際的器件。

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第9期第33頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。