電流檢測有“神器”！

作者：時間：2024-09-20 來源：ADI

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電路板級設(shè)計人員的任務(wù)是賦予電路板以生命，監(jiān)視其健康狀況，調(diào)整設(shè)置，運行診斷，脫機(jī)進(jìn)行檢查，在出現(xiàn)問題時排除故障，以及在無事故的情況下有序地關(guān)斷復(fù)雜的電路板。在電源設(shè)計和開發(fā)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(tǒng)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(xié)調(diào)關(guān)斷、測量電壓、測量電流以及收集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。使用 LTC297x 器件測量電源電流是本文的重點。

本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/202409/463069.htm

對于為FPGA、CPU、光收發(fā)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(guān)鍵電源軌，電路板設(shè)計人員可以通過此數(shù)據(jù)深入了解其性能。當(dāng)電流信息被測量到，且電流值為數(shù)字格式，那么器件就可以計算功率和電能，系統(tǒng)主機(jī)也可以執(zhí)行獨特的計算、從數(shù)據(jù)中分析趨勢、安排任務(wù)等。

圍繞電流檢測這一主題已有許多技術(shù)文章和應(yīng)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(shù)字方面，并描述了用于測量低壓、高壓和負(fù)電源軌的各種支持電路。

LTC297x DPSM系列

本文的重點是內(nèi)置電流測量功能的電源系統(tǒng)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(jiān)視電流，但存在一些限制。只有奇數(shù)通道支持電流測量，并且測量值以未縮放的單位(V)返回。LTC2971/LTC2972/LTC2974/LTC2975 器件能夠測量輸出電流，并允許系統(tǒng)?軟件利用READ_IOUT命令回讀以安培(A)為單位的值。

表1. LTC297x DPSM器件系列

PSM基礎(chǔ)

電源系統(tǒng)管理器提供關(guān)于電源的關(guān)鍵電壓和電流讀數(shù)的數(shù)字視圖。這是該產(chǎn)品系列的一個強(qiáng)大特性：系統(tǒng)主機(jī)或LTpowerPlay可以支持電路板初始啟動、調(diào)試、驗證或收集基線數(shù)據(jù)，或者尋找趨勢。雖然一些電源通道不需要精確的電流讀數(shù)，但許多關(guān)鍵的輸出通道需要高度精確的電流測量。

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(yīng)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(lián)分流器進(jìn)行電流檢測

例如，將I _SENSE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(zhuǎn)換為電流值。LTpowerPlay將電流實時顯示為數(shù)值和遙測曲線。

圖 3. 用于輸出電流測量的 PMBus 寄存器設(shè)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(tǒng)主機(jī)或LTpowerPlay將其轉(zhuǎn)換為安培。實踐中，這意味著固件（而不是芯片）必須存儲串聯(lián)分流器的值。

串聯(lián)分流電阻并非檢測電流的唯一方法。表2總結(jié)了DPSM系列可用的電流檢測選項及其權(quán)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(jié)

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(zhuǎn)換器是開關(guān)穩(wěn)壓器還是線性穩(wěn)壓器，分流電阻都與輸出串聯(lián)。反饋電阻分壓器連接到輸出節(jié)點，使得分流器位于反饋環(huán)路內(nèi)，這樣當(dāng)施加負(fù)載電流時，穩(wěn)壓器就能補(bǔ)償分流電阻的IR壓降，從而顯著提高負(fù)載調(diào)整率。

圖 4. 反饋回路內(nèi)的檢測電阻

用于將電壓轉(zhuǎn)換為電流的PMBus命令稱為IOUT_CAL_GAIN。這是分流電阻的標(biāo)稱電阻。芯片通過I _SENSE引腳測量分流電阻上的小電壓降，在內(nèi)部執(zhí)行轉(zhuǎn)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(shè)置為制造商的規(guī)格以補(bǔ)償溫度變化。通常，大于10 mΩ的分流器具有較低的溫度系數(shù)：<100 ppm?°C。

數(shù)據(jù)手冊規(guī)格中列出了 I _SENSE引腳上產(chǎn)生的最大差分檢測電壓。大多數(shù)LTC297x器件的差分電壓以±170 mV為限，這為大多數(shù)應(yīng)用提供了足夠的范圍。最大檢測電壓計算如下：V _SENSE= R _SNS× I _OUT(MAX)。通常，首先確定最大檢測電壓，R _SNS電流檢測電阻計算如下：R _SNS= V _SENSE? I _OUT(MAX)。選擇的最大檢測電壓應(yīng)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(yīng)大于檢測電阻的計算功耗：P _D= R _SNS× (I _OUT(MAX)) ²。

一種相關(guān)方法是增加一個以地為基準(zhǔn)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(shù)LTC297x管理器的6 V限值的電壓軌進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。CSA應(yīng)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。

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(jiān)控。大多數(shù)μModule器件都有內(nèi)置電感，但有些還集成了上方反饋電阻，因此無法在反饋環(huán)路內(nèi)添加外部分流電阻。應(yīng)當(dāng)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(wěn)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(lián)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(chǎn)生熱量。

要在電感上進(jìn)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(wǎng)絡(luò)。濾波器網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(shù)據(jù)手冊提供了關(guān)于選擇RC值的指南。

示例：

假設(shè)L = 2.2 μH，DCR = 10 mΩ， f _SW= 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(xiàn)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(guī)格高達(dá)±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(shù)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(shè)置分流電阻或電感DCR的標(biāo)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(shù)中引入誤差。使用MFR_IOUT_CAL_GAIN_TC命令設(shè)置銅的溫度系數(shù)可補(bǔ)償此誤差。在數(shù)據(jù)手冊中，該值的默認(rèn)值為3900 ppm / °C。用戶可能需要調(diào)整該值以匹配電感，因為當(dāng)導(dǎo)線是合金而非純銅時，此參數(shù)可能會大幅改變。 MFR_IOUT_CAL_GAIN_THETA表示熱時間常數(shù)，可對其進(jìn)行設(shè)置。LTC297x數(shù)據(jù)手冊詳細(xì)介紹了這些內(nèi)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(xiàn)更準(zhǔn)確的電流溫度補(bǔ)償。 LTC2971/LTC2972/LTC2974/LTC2975 器件具有連接到傳感器的T _SENSE引腳。

IMON

IMON引腳在許多穩(wěn)壓器（包括開關(guān)和線性）中越來越受歡迎。這些穩(wěn)壓器有一個電流檢測輸出引腳，藉此可監(jiān)視穩(wěn)壓器的負(fù)載電流。 IMON方法的優(yōu)點在于它是無損的，并且無需擔(dān)心共模電壓，因為LTC297x I _SENSE引腳不連接到V _OUT。 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(shè)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(chǎn)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(yīng)使得在所有負(fù)載條件下都能提供寬動態(tài)范圍。一般情況下，IMON精度在中負(fù)載和重負(fù)載電流條件下較好，但在輕負(fù)載下會下降。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請查閱穩(wěn)壓器的數(shù)據(jù)手冊規(guī)格。

圖 9. PSM 利用 IMON 測量電流

一些穩(wěn)壓器將限流功能與IMON引腳結(jié)合在一起，該引腳可稱為IMON / ILIM。請注意，所選的IMON電阻值不應(yīng)使得IMON電壓在滿載時會激活限流電路。示例包括線性穩(wěn)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(jiān)視器。對于某些開關(guān)穩(wěn)壓器，該引腳可稱為IMON，內(nèi)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(guān)閉輸出。若要關(guān)閉輸出， LTC298x 會檢測過流狀況并將VOUT_EN拉低，從而禁用穩(wěn)壓器輸出。

輸入電流檢測

一個電源系統(tǒng)可能有一個輸入電源，其為多個下游穩(wěn)壓器供電。輸入電源電流可由LTC2971、LTC2972或LTC2975進(jìn)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(zhuǎn)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(tǒng)的功率和電能。蓄能器將在下一節(jié)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(wěn)壓器通過V _PWR引腳為LTC2971供電，這樣可節(jié)省功率并避免LTC2971自發(fā)熱。由于V _PWR× I _PWR會產(chǎn)生功耗，可能導(dǎo)致芯片溫度升高到預(yù)期以上。ADP2360 具有一個固定5 V選項，可為降壓穩(wěn)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(jiān)視電能使用可能很重要。無論輸入電源是開關(guān)穩(wěn)壓器、太陽能電池板輸出還是電池電源，了解系統(tǒng)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(shù)相關(guān)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(jié)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(jù)管理器的內(nèi)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(shù)字讀數(shù)。

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(shù)。

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(tài)的總時間，顯示為MFR_EIN_TIME寄存器。當(dāng)單位從mJ變?yōu)镴再到kJ時，GUI會自動更新所顯示的SI前綴。