用 100V DC 能量監(jiān)視器測量能量

引言

在如今關(guān)注功耗的電子產(chǎn)品世界中，“能量監(jiān)測”和“功率監(jiān)測”常常可以互換使用，然而事實(shí)上，它們在含義、應(yīng)用和優(yōu)勢方面略有不同。能量通常被定義為一段時(shí)間里的功率消耗量，其以“焦耳”(J) 或“千瓦時(shí)”(kWh) 為單位，而功率則是一個(gè)恒定的能量使用率，其以“瓦特”(W) 為單位。因此，額定功率通常用于表示設(shè)備在某個(gè)時(shí)刻將會消耗多少即時(shí)電力，而能量則是在事后確認(rèn)在一個(gè)規(guī)定的時(shí)間周期內(nèi)實(shí)際消耗了多少電力。所以，雖然能量監(jiān)視器和功率監(jiān)視器的“綠色”目標(biāo)最終可能是相同的，但是在大多數(shù)應(yīng)用中能量監(jiān)視器或許更加有用，因?yàn)樗紤]到功率級別隨時(shí)間所產(chǎn)生的變化，從而更進(jìn)了一步。

撇開 AC 負(fù)載不談，能量監(jiān)測正變得日益普及并已經(jīng)在一些 DC 負(fù)載應(yīng)用中確立了地位。手持式、機(jī)架式和在線能量計(jì)得到了廣泛使用，設(shè)施管理人員等可以用這些能量計(jì)跟蹤和分配設(shè)備或部門以及其他很多系統(tǒng)使用的能量。能量計(jì)的用途也可以包括負(fù)載分析，在這種應(yīng)用中，對預(yù)期能耗規(guī)律和當(dāng)前使用情況加以比較，并根據(jù)與能耗規(guī)律模型偏離的程度，對所關(guān)注區(qū)域做出標(biāo)記。通過調(diào)整負(fù)載大小，用戶可以決定，在某個(gè)時(shí)段，可以將多少照明燈、電腦、電池等連接到系統(tǒng)中。能量監(jiān)視在可再生能源應(yīng)用中的使用也隨處可見，例如在風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)或太陽能電池板等應(yīng)用中，監(jiān)視產(chǎn)生了多少 DC 電量。類似地，電動自行車和電動汽車可以報(bào)告每公里能量使用情況，并量化從電池抽取或返回電池的能量。

盡管可以用一個(gè)微處理器加上少數(shù)其他組件組成一個(gè)分立式能量監(jiān)視解決方案，但是這種方法為了執(zhí)行數(shù)據(jù)計(jì)算和分析，需要連續(xù)輪詢數(shù)據(jù)，因此導(dǎo)致系統(tǒng)開銷增大。一款很適合的能量監(jiān)視 IC 提供了一種簡單的解決方案，減輕了這類繁重任務(wù)造成的大量負(fù)擔(dān)，在這種解決方案中，包括電壓、電流、功率和能量等所測參數(shù)合起來，可幫助即時(shí)洞察系統(tǒng)健康情況?？删幊涕T限報(bào)警是提供早期故障檢測，以能夠在災(zāi)難性事件發(fā)生之前采取預(yù)防性行動所必需的。另外，僅僅通過了解使用規(guī)模，就可以優(yōu)化系統(tǒng)。憑借這類信息，可以相應(yīng)地將寶貴的資源用于別處，負(fù)擔(dān)過重的設(shè)備可以將任務(wù)卸載到?jīng)]有得到充分利用的設(shè)備上。

能量監(jiān)視器作用模型

能量監(jiān)視器可以通過很多不同的方式開發(fā)，想想對系統(tǒng)中能量使用情況進(jìn)行監(jiān)視所必需的各種組件就知道，這并不奇怪。為了測量電流，需要檢測電阻器和放大器，最方便的情形是，該放大器的共模范圍擴(kuò)展到正的電源軌，并將其輸出轉(zhuǎn)換到地。測量電壓需要精確的電阻分壓器，而且如果要監(jiān)視一個(gè)以上的電壓，那么所需組件清單中還必須增加一個(gè)多路轉(zhuǎn)換器。接下來是多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，具備精確基準(zhǔn)以及與微處理器連接的一些方法，同時(shí)也許還要與相鄰 IC 共享 I/O 連線。ADC 轉(zhuǎn)換可能需要同步至微處理器時(shí)基，以便可以跟蹤時(shí)間。微處理器還必須使電壓和電流相乘以得到功率值，然后針對一段時(shí)間求出這些功率值之和，用這些和值計(jì)算能量。如果需要針對某參數(shù)檢測最小值和最大值或報(bào)警信號，那么需要編寫額外的代碼并連續(xù)執(zhí)行這些代碼。因?yàn)檎业竭m合的組件總體上既復(fù)雜又困難，所以能量監(jiān)視常常適合采用集成式解決方案。

多種應(yīng)用因空間、復(fù)雜性或成本因素而無法考慮分立式解決方案，凌力爾特公司的 LTC2946 通過在小型 4mm x 3mm QFN 或 MSOP 封裝中集成所有必需的功能構(gòu)件，使能量監(jiān)視變得對這類應(yīng)用非常實(shí)用了。LTC2946 以低至 2.7V 的電壓工作，但是可以監(jiān)視任何 0V 至 100V 軌的電壓和電流以及它自己的電源電壓和一個(gè)額外的電壓輸入。內(nèi)置并聯(lián)穩(wěn)壓器支持高于 100V 的電源。為了實(shí)現(xiàn)靈活性而使用外部檢測電阻器，從而允許 LTC2946 準(zhǔn)確地監(jiān)視從毫安到數(shù)十安培或更大的電流。ADC 具 12 位分辨率，電壓最大總體未調(diào)整誤差 (TUE) 為 0.4%，電流最大總體未調(diào)整誤差為 0.6%。另一個(gè) ADC 輸入 (ADIN 引腳) 的 TUE 也僅為 0.3%，可用來監(jiān)視輔助功能。LTC2946 還集成了一個(gè)數(shù)字多路轉(zhuǎn)換器，以計(jì)算 24 位功率值，還有累加器和振蕩器，以計(jì)算 32 位能量和電荷值。所有值、測量結(jié)果、狀態(tài)和用戶配置數(shù)據(jù)都存儲在可通過 I2C 訪問的寄存器中。

圖 1：LTC2946 的簡化方框圖

LTC2946 可用于很多復(fù)雜和空間受限的應(yīng)用中，包括 RAID 系統(tǒng)、電信、交通運(yùn)輸、太陽能監(jiān)視系統(tǒng)以及工業(yè)計(jì)算機(jī) / 控制系統(tǒng)。幸運(yùn)的是，這個(gè)器件僅需要進(jìn)行幾個(gè)簡單的連接。圖 2 顯示，LTC2946 在監(jiān)視一個(gè) 3.3V 微處理器的輸入電壓和電流，同時(shí)由 12V 電壓供電。所需外部組件僅為一個(gè)檢測電阻器和 3 個(gè)上拉電阻器。

圖 2：LTC2946 高壓側(cè)能量計(jì)

由于 LTC2946 提供很寬的軌至軌工作范圍，所以該器件在很多不同的低壓和高壓系統(tǒng)中都很有用。不僅絕對最大額定值為 100V 的電源和檢測引腳提供大量空間，例如在 48V 或 -48V 應(yīng)用中，而且零伏檢測監(jiān)視能力在短路或停電情況下也很適合用來監(jiān)視電流值。無需額外電路，零伏時(shí)的故障電流值就能夠立刻指明，電源或負(fù)載是否已經(jīng)出問題了。內(nèi)部 12 位ΔΣ ADC 本身可以在測量窗口中平均輸入噪聲，因此在有噪聲的環(huán)境中工作不是問題。在掃描模式，ADC 分別以 25µV、25mV 和 0.5mV 的分辨率，順序連續(xù)監(jiān)視差分檢測電壓、電源或正的檢測電壓以及備用 ADC 輸入電壓。在連續(xù)掃描模式，轉(zhuǎn)換的有效刷新率高達(dá) 20Hz (取決于執(zhí)行內(nèi)部校準(zhǔn)的頻度)，盡管用戶還可以進(jìn)入瞬像模式，取得單個(gè)可選輸入的測量值。高壓監(jiān)視 IC 通常有較大的靜態(tài)電流，因此在以節(jié)能為目標(biāo)的應(yīng)用中，不適合使用這種 IC。不過，LTC2946 監(jiān)視 48V 軌時(shí)僅消耗 0.9mA 電流，并可停機(jī)，以使功耗降至僅為 15µA。

增添能量監(jiān)視器的活力

LTC2946 可以用多種電源獲得功率，這極大地簡化了任何應(yīng)用的設(shè)計(jì)過程。圖 3a 顯示，LTC2946 用來監(jiān)視一個(gè)范圍從 4V 至 80V 的電源。無需輔助偏置電源，因?yàn)?VDD 電源引腳可以直接連接到被監(jiān)視的電源上。如果 LTC2946 用來監(jiān)視一個(gè)可以低至 0V 的電源，那么該器件可以用連接到 VDD 的多種輔助電源獲得功率，如圖 3b 所示。類似地，如果是一個(gè)低至 2.7V 的低壓電源，那么 LTC2946 可以配置為如圖 3c 所示，以最大限度降低功耗。

圖 3a：LTC2946 從被監(jiān)測的電源獲得功率

圖 3b：LTC2946 從一個(gè)寬范圍輔助電源獲得功率

圖 3c：LTC2946 從一個(gè)低電壓輔助電源獲得功率

對于高于 ±100V 的電源而言，INTVCC 引腳上的內(nèi)置線性穩(wěn)壓器可用于高壓側(cè)和低壓側(cè)配置，以通過一個(gè)外部并聯(lián)電阻器給 LTC2946 供電。圖 4a 顯示了一個(gè)高壓側(cè)功率監(jiān)視器，其輸入監(jiān)視范圍超過 100V，采用高壓側(cè)并聯(lián)穩(wěn)壓器配置。LTC2946 的地通過 RSHUNT 與電路地隔離，并箝位在比輸入電源低 6.3V 的電壓上。由于不同的地電平，LTC2946 的 I2C 信號需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，以與其他以地為基準(zhǔn)的組件通信。另外還需要一個(gè)鏡像電流，以測量備用 ADC 輸入上的外部電壓。圖 4b 顯示，LTC2946 用一個(gè)高于 -100V 的電源供電。這里，低壓側(cè)并聯(lián)穩(wěn)壓器配置允許將 INTVCC 處的電壓箝位至比輸入電源高 6.3V，并在這樣的情況下工作，在這種情況下，輸入電源是負(fù)軌。如圖 4c 所示，如果輸入電源和瞬態(tài)電壓限制為低于 -100V，就不需要并聯(lián)電阻器，其中 VDD 是相對于 LTC2946 地的電路地處之電源電壓。

圖 4a：LTC2946 通過高壓側(cè)并聯(lián)穩(wěn)壓器獲得功率

圖 4b：LTC2946 在低壓側(cè)電流檢測拓?fù)渫ㄟ^低壓側(cè)并聯(lián)穩(wěn)壓器獲得功率

圖 4c：LTC2946 在低壓側(cè)電流檢測拓?fù)鋸谋槐O(jiān)視的電源獲得功率

數(shù)字功能帶來便利性

與靈活的供電選項(xiàng)一樣，LTC2946 還包括很多便利的、簡化設(shè)計(jì)的數(shù)字功能。最顯而易見的數(shù)字功能是集成的數(shù)字多路復(fù)用器與累加器，可為用戶提供 24 位功率、32 位能量和電荷值，既減輕了大量輪詢電壓和電流數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)，又可執(zhí)行額外的計(jì)算任務(wù)。LTC2946 通過將測得的 12 位電流與測得的 12 位電壓相乘來計(jì)算功率。在連續(xù)模式，通過測量差分檢測電壓得到負(fù)載電流數(shù)據(jù)。不過，電壓數(shù)據(jù)可在電源電壓、正的檢測電壓或備用 ADC 輸入電壓之間選擇。每次進(jìn)行電流測量之后，計(jì)算 24 位功率值。最后，能量和電荷累加器中逐步增加功率和電流數(shù)據(jù)，在通常的電流和功率值情況下，能夠存儲幾個(gè)月的數(shù)據(jù)。

對于電流、電壓和功率，LTC2946 有最小和最大值寄存器，因此無需軟件連續(xù)輪詢，使 I2C 總線和主機(jī)能夠釋放出來執(zhí)行其他任務(wù)。除了檢測和存儲最小 / 最大值，LTC2946 還有最小 / 最大限制值寄存器，可用來在超出限制值時(shí)發(fā)出警報(bào)，因此微處理器也無需不斷輪詢 LTC2946 及分析數(shù)據(jù)。LTC2946 還可配置為，在提供了規(guī)定的能量或電荷量以后，或者當(dāng)預(yù)設(shè)的時(shí)間已經(jīng)過去時(shí)，產(chǎn)生溢出警報(bào)。對于一個(gè)能量監(jiān)視器而言，報(bào)警可能與最小和最大值寄存器一樣重要。圖 5 顯示，LTC2946 怎樣通過軟件和硬件產(chǎn)生警報(bào)。所測得的數(shù)據(jù)與用戶定義的門限相比較;過壓、欠壓、過流、欠流、功率過大、功率不足門限值均可定義并同時(shí)監(jiān)視。然后，狀態(tài)寄存器通知用戶，哪個(gè)參數(shù)門限值已超過，同時(shí)實(shí)際故障值被記錄到另一個(gè)寄存器中，可以在以后查詢。單獨(dú)的警報(bào)寄存器允許用戶選擇，按照 SMBus 報(bào)警響應(yīng)協(xié)議響應(yīng)哪些參數(shù)，該協(xié)議中的報(bào)警響應(yīng)地址 (Alert Response Address) 被廣播出去，/ALERT 引腳被拉低，以通知主機(jī)出現(xiàn)了報(bào)警事件。

圖 5：LTC2946 怎樣產(chǎn)生故障警報(bào)

LTC2946 采用功能得到獨(dú)特增強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn) I2C 接口與外部世界通信。有 9 個(gè) I2C 器件地址可用，因此可以非常容易地將多個(gè) LTC2946 設(shè)計(jì)到同一個(gè)系統(tǒng)中。所有 LTC2946 器件都響應(yīng)一個(gè)公共地址，這允許主總線同時(shí)對幾個(gè) LTC2946 進(jìn)行寫操作，而不管它們各自的地址是什么。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 I2C 信號保持為低電平的時(shí)間超過 33ms (阻塞總線條件) 時(shí)，允許恢復(fù)正常通信。由于有分路 I2C 數(shù)據(jù)線，所以無需使用 I2C 分路器或整合器實(shí)現(xiàn)雙向傳輸以及跨隔離邊界接收數(shù)據(jù)，這帶來了便利性。此外，LTC2946-1 版本提供反相數(shù)據(jù)輸出，以用于負(fù)輸出光隔離器配置。

結(jié)論

LTC2946 是一種通用的電路板級能量監(jiān)視器，適用于多種應(yīng)用，為用戶提供了簡單但非常有效的電流、電壓、功率、能量、電荷及時(shí)間監(jiān)視方法。高性能基本構(gòu)件允許 LTC2946 以同類器件中最高的準(zhǔn)確度、方便地監(jiān)視 0V 至 100V 正和負(fù)軌。由于有獨(dú)立的高壓監(jiān)視和電源引腳，而且內(nèi)置穩(wěn)壓器支持超過 100V 的電源，所以用戶有各種偏置選擇。LTC2946 的模擬功能與其主資源節(jié)省的數(shù)字功能同樣出色，包括多路復(fù)用器、累加器、最小 / 最大值寄存器、可配置警報(bào)以及功能非常強(qiáng)大的 I2C 接口。