基于LTC2974芯片實(shí)現(xiàn)高精確度數(shù)字遙測的設(shè)計(jì)

引言

盡管電源管理對新式電子系統(tǒng)的可靠運(yùn)行至關(guān)重要，但是在今天的系統(tǒng)中，也許仍然存在著最后一個(gè)“盲點(diǎn)”，那就是電壓穩(wěn)壓器，現(xiàn)在還沒有辦法直接配置或監(jiān)視關(guān)鍵電源系統(tǒng)工作參數(shù)。數(shù)字可編程DC/DC轉(zhuǎn)換器已經(jīng)存在多年了，最顯著的用途是用在具備電壓識別 （VID） 輸出電壓控制功能的電壓穩(wěn)壓器模塊 （VRM） 內(nèi)核電源中。但是直接從電壓穩(wěn)壓器監(jiān)視工作狀態(tài)信息 （尤其是監(jiān)視實(shí)時(shí)電流） 的能力一直缺乏。

數(shù)字電源系統(tǒng)管理的主要好處是降低了設(shè)計(jì)成本以及使產(chǎn)品更快上市。采用具備直觀圖形用戶界面 （GUI） 的全面開發(fā)環(huán)境，可以高效率地開發(fā)復(fù)雜的多軌系統(tǒng)。通過GUI而不是焊接“白色導(dǎo)線”定位點(diǎn)，這類系統(tǒng)還簡化了在線測試 （ICT） 和電路板調(diào)試。另一個(gè)好處是，由于有實(shí)時(shí)遙測數(shù)據(jù)可用，所以可以預(yù)測電源系統(tǒng)故障，并采取預(yù)防性措施。也許最重要的是，具備數(shù)字管理功能的DC/DC轉(zhuǎn)換器使設(shè)計(jì)師能夠開發(fā)在負(fù)載點(diǎn)、電路板、機(jī)架級甚至安裝階段均能以最低能耗滿足目標(biāo)性能 （計(jì)算速度、數(shù)據(jù)傳送速率等） 的“綠色”電源系統(tǒng)，從而降低了基礎(chǔ)設(shè)施成本和產(chǎn)品壽命期內(nèi)的總體擁有成本。

需要準(zhǔn)確、無損耗的電流測量

DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)領(lǐng)域的進(jìn)步使得難以極大地提高效率，而且下一代電源系統(tǒng)將通過系統(tǒng)級動態(tài)負(fù)載均衡降低功耗?？刂曝?fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的算法需要準(zhǔn)確度很高的功耗數(shù)據(jù)，以微調(diào)模型，并優(yōu)化功率分配。這正是與準(zhǔn)確度很高的模擬電路相結(jié)合的實(shí)時(shí)遙測的顯著優(yōu)勢。要以高精確度測量功耗，就需要用一個(gè)已知的電阻性組件測量輸出電流。盡管已校準(zhǔn)的外部并聯(lián)電路是準(zhǔn)確的，但是它會引入額外的功率損耗，并使轉(zhuǎn)換器更加昂貴。一種無損耗選擇是，跨電感器寄生DC電阻（DCR）測量平均壓降，這可以減少組件數(shù)量，并簡化電路板布局。與SenseFET等其他無損耗測量方法相比，DCR電流測量方法更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，也更簡單易用。DCR方法的一個(gè)顯著缺點(diǎn)是，電感器電阻受溫度影響很大以及難以測量準(zhǔn)確的電感器磁芯溫度。如果沒有恰當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償，僅為1℃的電感器溫度變化就對應(yīng)約為 0.39%的電流測量誤差。使情況變得更糟的是，在大負(fù)載電流時(shí)，可能有幾十度的電感器自熱。下面介紹的算法 （正在申請專利） 可以補(bǔ)償所有這些問題，而且校準(zhǔn)后，可在整個(gè)溫度和負(fù)載電流范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)好于±0.25%的準(zhǔn)確度。

DCR溫度補(bǔ)償

在靠近電感器的地方放置溫度傳感器可提供一階溫度補(bǔ)償。如果溫度傳感器遠(yuǎn)離其他顯著的熱源 （例如功率FET），那么溫度補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確度就可以提高。在大負(fù)載情況下，由于電感器的散熱，在電感器和溫度傳感器之間產(chǎn)生了瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)熱量梯度，所檢測到的溫度并不準(zhǔn)確地代表電感器的磁芯溫度。這種溫度梯度在圖1中清晰可見，該圖顯示了向輸出負(fù)載提供1.8V電壓、1.5A電流的集成式 DC/DC轉(zhuǎn)換器LTC3601的熱像。

圖1：DC/DC轉(zhuǎn)換器的熱像顯示了電感器實(shí)際溫度與監(jiān)測點(diǎn)溫度之間的差別

此外，瞬時(shí)加熱/冷卻效應(yīng)也必須考慮，以當(dāng)負(fù)載電流變化快于電感器熱傳遞時(shí)間常數(shù)時(shí)減小所引入的瞬態(tài)誤差。這兩個(gè)問題均可以通過引入兩個(gè)額外的參數(shù)來解決：從電感器磁芯到板上溫度傳感器的熱阻θis；電感器的熱量時(shí)間常數(shù)t。熱阻 用來在給定電感器功耗Pi的情況下，計(jì)算所測得的溫度Ts與電感器內(nèi)部溫度之間的穩(wěn)態(tài)溫度差Ti。

附加的溫度上升用來更準(zhǔn)確地估計(jì)電感器的DC電阻Ri ：

在以上等式中，Vdcr是電感器的DC壓降，Iout是輸出電流的均方根（RMS）值，R0是電感器在參考溫度Tref上的DC電阻，α是該電阻的溫度系數(shù)。因?yàn)榇蠖鄶?shù)電感器都是用銅制成的，所以我們可以預(yù)期，溫度系數(shù)接近αcu=3900ppm/℃。在給定的α值時(shí)，其余參數(shù)θis和R0在溫度不變時(shí)可以僅用兩個(gè)負(fù)載電流校準(zhǔn)。

針對每一個(gè)負(fù)載電流記錄下電感器電阻Rk=Vdcr，k/ 、功耗Pk和所測得的溫度Tk（k=1，2）。為了在計(jì)算θis時(shí)提高準(zhǔn)確度，兩個(gè)負(fù)載電流應(yīng)該選擇為I1=10%和I2=90%的系統(tǒng)電流范圍。

電感器的熱量時(shí)間常數(shù)t用來模擬電感器的一階熱量響應(yīng)，并可在負(fù)載瞬態(tài)時(shí)用來準(zhǔn)確地補(bǔ)償DCR。從小負(fù)載電流向大負(fù)載電流轉(zhuǎn)變時(shí)，電感器電阻由于自熱而增大。如果我們運(yùn)用從小電流I1到大電流I2的單個(gè)負(fù)載階躍，那么電感器兩端的電壓將在瞬間從I1R1 轉(zhuǎn)變到I2R1，然后緩慢接近I2R2。這里R1是在給定溫度和負(fù)載電流I1時(shí)的穩(wěn)態(tài)電阻，而由于電感器自熱，R2在I2時(shí)略高于DC電阻。請注意，電氣時(shí)間常數(shù)tθl=L/R比熱量時(shí)間常數(shù)小幾個(gè)量級，而“瞬間”是相對于熱量時(shí)間常數(shù)而言的。兩個(gè)穩(wěn)定區(qū)給出了數(shù)據(jù)集 （I1、T1、R1、P1） 和 （I2、T2、R2、P2），兩點(diǎn)校準(zhǔn)方法 （1.3-1.4） 用來抽取穩(wěn)態(tài)參數(shù)θis和R0（考慮之前得出的“平均”α ）。運(yùn)用穩(wěn)態(tài)表達(dá)式 （1.2） 算出的相對電流誤差將在負(fù)載階躍后立即達(dá)到峰值，然后依照電感器熱量時(shí)間常數(shù)t衰減到零。

時(shí)間常數(shù)t用最佳擬合曲線y=ln（△I/I）=α1+α2t的斜率計(jì)算：

總之，校準(zhǔn)DCR電流測量值的全部所需僅為單個(gè)負(fù)載電流階躍。響應(yīng)的穩(wěn)定部分給出了熱阻θis和標(biāo)稱DC電阻R0，穩(wěn)定特性用來測量電感器時(shí)間常數(shù)t。一旦得出特定系統(tǒng)的自熱參數(shù)θis和t，那么就僅剩電感器DC電阻R0需要校準(zhǔn)，以補(bǔ)償電感器容限。

用LTC2974實(shí)現(xiàn)高精確度數(shù)字遙測

凌力爾特新推出的LTC2974是一款4通道系統(tǒng)監(jiān)察器，包含一個(gè)16位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具備同類最佳的 ±0.25%總未調(diào)誤差。該器件針對所有4個(gè)被監(jiān)視的DC/DC通道提供輸出電壓、電流及溫度的數(shù)字回讀，采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的PMBus接口。電流測量采用上述DCR溫度補(bǔ)償算法，與之前的解決方案相比 ，實(shí)現(xiàn)了較高量級的準(zhǔn)確度 （圖2）。LTC2974整合了遙測與精確快速的硬件監(jiān)察、微調(diào)DAC和一套全面的排序及跟蹤選項(xiàng)，提供了很大的系統(tǒng)靈活性。LTC2974高度可靠的片上EEPROM使該器件無需開發(fā)軟件，就實(shí)現(xiàn)了徹底的自主運(yùn)行。LTC2974 包括通過中斷標(biāo)記與“黑盒子”記錄器實(shí)現(xiàn)的故障記錄功能，該記錄器存儲發(fā)生故障之前瞬間轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)參數(shù)。凌力爾特的LTpowerPlay開發(fā)軟件及其GUI 界面為多軌系統(tǒng)的開發(fā)提供了方便。

圖2：用于DC/DC轉(zhuǎn)換器的LTC2974在整個(gè)溫度及輸出電流范圍內(nèi)的總測量誤差

結(jié)論

準(zhǔn)確測量負(fù)載點(diǎn)實(shí)時(shí)功耗使人們能夠設(shè)計(jì)出以最低能耗滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的智能系統(tǒng)。精確、無損耗的電流測量是優(yōu)化大型系統(tǒng)功耗的關(guān)鍵，且使人們能夠開發(fā)出準(zhǔn)確的模型。能在系統(tǒng)“健康”狀況診斷中使用實(shí)時(shí)功耗遙測是至關(guān)重要的，可用來防止可能的災(zāi)難性電源系統(tǒng)故障。

責(zé)任編輯：gt