使用PMBus數(shù)字電源系統(tǒng)管理器進行電流檢測

介紹

板級設(shè)計人員的任務(wù)是賦予電路板生命、監(jiān)控其運行狀況、調(diào)整設(shè)置、運行診斷、使其脫機進行檢查、在情況不太正確時進行故障排除，以及正常關(guān)閉復(fù)雜電路板的電源而不會發(fā)生事故。在設(shè)計和開發(fā)電源的世界中，電源管理可能不僅是可取的，而且是一項硬性要求。電源系統(tǒng)管理器聚合了各種功能，例如上電排序、故障檢測、裕量測試、協(xié)調(diào)關(guān)斷、測量電壓、測量電流和收集數(shù)據(jù)進行分析。使用 LTC297x 器件測量電源電流是本文的重點。

對于為高價值組件（如FPGA、CPU和光收發(fā)器）供電的電源，測量從電源軌汲取的電流可能很重要。對于這些關(guān)鍵電源軌，這些數(shù)據(jù)使電路板設(shè)計人員能夠深入了解其性能。當(dāng)測量電流并且電流值為數(shù)字格式時，設(shè)備可以計算功率和能量，系統(tǒng)主機可以執(zhí)行獨特的計算，查找數(shù)據(jù)趨勢，安排任務(wù)等。

許多技術(shù)文章和應(yīng)用筆記都是關(guān)于電流檢測主題的，但沒有一篇專門針對DPSM進行討論。本文涵蓋模擬和數(shù)字方面，并介紹了用于測量低壓、高壓和負(fù)電源軌電流的各種支持電路。

LTC297x DPSM 系列

本文的重點是具有內(nèi)置電流測量的電源系統(tǒng)管理器。表 1 描述了這些設(shè)備之間的差異。

LTC2977 / LTC2979 / LTC2980 / LTM2987 可配置為監(jiān)視電流，但存在一些限制。只有奇數(shù)通道支持電流測量，測量值以未縮放的伏特單位返回。第 2 部分對此進行了更詳細(xì)的介紹。

本文重點介紹 LTC2971 / LTC2972 / LTC2974 / LTC2975 器件，因為它們能夠測量輸出電流并允許系統(tǒng) / 軟件使用 READ_IOUT 命令以安培為單位回讀值。

注意 AN-105：電流檢測電路集合 理解電流涵蓋了各種各樣的電路和場景。該系列的一部分適用于ADI數(shù)字電源系統(tǒng)管理器。

1除非另有說明，本應(yīng)用筆記中的術(shù)語LTC297x是指LTC2971、LTC2972、LTC2974、LTC2975、LTC2977、LTC2979、LTC2980和LTM2987。它不包括 LTC2970。

PSM 基礎(chǔ)知識

電源系統(tǒng)管理器提供電源關(guān)鍵電壓和電流讀數(shù)的數(shù)字視圖。這是該產(chǎn)品系列的一個強大功能：系統(tǒng)主機或LTpowerPlay可以支持初始電路板啟動、調(diào)試、驗證或收集基線數(shù)據(jù)，或查找趨勢。雖然某些電源通道不需要精確的電流讀數(shù)，但許多關(guān)鍵輸出通道需要高精度的電流測量。

本文將介紹各種電流檢測選項，包括成本、復(fù)雜性和精度之間的權(quán)衡。

圖1.READ_IOUT LTpowerPlay中的遙測圖。

電流檢測選項

LTC2971 / LTC2972 / LTC2974 / LTC2975 管理器可準(zhǔn)確測量輸出電流。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.帶串聯(lián)分流器的電流檢測。

例如，將 I 連接意義連接到分流器，配置幾個寄存器，其余部分由芯片完成。芯片將測得的檢測電壓轉(zhuǎn)換為電流值。LTpowerPlay將電流實時顯示為數(shù)值，并在遙測圖中顯示。

圖3.用于輸出電流測量的 PMBus 寄存器設(shè)置。

還可以使用 LTC2977 / LTC2979 / LTC2980 / LTM2987 來測量輸出電流;但是，READ_IOUT命令返回的電壓必須由系統(tǒng)主機或 LTpowerPlay 轉(zhuǎn)換為放大器。實際上，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)分流電阻器不是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。

分流電阻檢測

最常見的檢測方法使用分流電阻器，有時稱為分流器。無論DC-DC轉(zhuǎn)換器是開關(guān)穩(wěn)壓器還是線性穩(wěn)壓器，分流電阻器都與輸出串聯(lián)。反饋電阻分壓器連接到輸出節(jié)點，使分流器位于反饋環(huán)路內(nèi)部，這允許穩(wěn)壓器在施加負(fù)載電流時補償分流電阻器的IR壓降，從而顯著改善負(fù)載調(diào)整率。

圖4.反饋環(huán)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。這是分流電阻器的標(biāo)稱電阻。芯片通過 I 測量分流電阻器兩端的小壓降意義引腳，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：

使用電阻分流器時，將MFR_IOUT_CAL_GAIN_TC值設(shè)置為制造商的規(guī)格，以補償溫度變化。通常，大于10 mΩ的分流器具有較低的溫度系數(shù)：<100 ppm/°C。

在I兩端產(chǎn)生的最大差分檢測電壓意義引腳列在數(shù)據(jù)手冊規(guī)格中。大多數(shù)LTC297x器件的差分電壓限制為±170 mV。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意義= R社交網(wǎng)絡(luò)× I輸出（最大）.通常，首先確定最大檢測電壓，然后確定R社交網(wǎng)絡(luò)電流感電阻計算如下：R社交網(wǎng)絡(luò)= V意義/我輸出（最大）.最大檢測電壓為選擇足夠大的信號，但不會在輸出路徑中產(chǎn)生功耗問題或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，使其提供的功率耗散額定值大于檢測電阻中計算的功率耗散：PD= R社交網(wǎng)絡(luò)×（I輸出（最大）)2.

一種相關(guān)方法增加了一個以地為參考的電流檢測放大器（CSA），以提供單端輸出，該輸出饋入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限值的電源軌進行電平轉(zhuǎn)換。CSA應(yīng)具有良好的高端共模性能。通常從感測電源軌和GND為此類設(shè)備供電。 本文第 2 部分介紹了此方法的詳細(xì)信息。

圖5.用于更高電壓軌的電流檢測放大器。

ADI提供許多易于使用的非PSM μModule器件，占用空間小。PSM管理器是控制排序和監(jiān)督它們的良好伴侶設(shè)備。大多數(shù)μModule器件具有內(nèi)部電感器。但是，有些還集成了頂部反饋電阻，因此無法在反饋環(huán)路內(nèi)添加外部分流電阻。應(yīng)選擇允許使用外部頂部反饋電阻的μModule器件，以實現(xiàn)最高的電壓精度。?

電感直流電阻檢測

DCR 檢測是通過降壓穩(wěn)壓器的輸出電感器檢測電流的方法。電感可以建模為理想電感和稱為DCR的串聯(lián)電阻（見圖6）。這通常是高電流 （>20 A） 電源軌的首選方法。增加電阻分流器是一個額外的組件，可耗散功率并產(chǎn)生熱量。

必須能夠訪問電感器的兩端才能檢測其兩端，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2級差分RC低通濾波器。為了方便和小尺寸，可以使用4元件電阻陣列。選擇電阻值時，IR壓降應(yīng)足夠小，以防止LTC297x輸入電流產(chǎn)生誤差，同時又足夠大，使電容值保持在1 μF以下。

LTC2971 / LTC2972 / LTC2974 / LTC2975 的產(chǎn)品手冊為選擇 RC 值提供了指導(dǎo)。

例：

假設(shè) L = 2.2 μH， DCR = 10 mΩ， f西 南部= 500 kHz

設(shè) Rcm1 = Rcm2 = 1 kΩ

圖6.DCR 電感檢測，帶 2 極點低通濾波器。

DCR 傳感提供無損電流測量;然而，由于電感繞組電阻或DCR的變化，精度會受到影響。電感DCR規(guī)格高達(dá)±10%或僅為最大值的情況并不少見。實際DCR值因電感和批次而異。

另一種濾波方案僅使用兩個電阻和兩個電容。這將組件數(shù)量從 8 個減少到 4 個;但是，濾波器性能不如圖7所示。

圖7.DCR 電感檢測，帶簡化的低通濾波器。

PMBus 配置

要使用 PMBus 命令配置 LTC297x，使用 IOUT_CAL_GAIN 命令來設(shè)定分流電阻器或電感器 DCR 的標(biāo)稱值。對于用銅線纏繞的電感器，DCR隨著電感器溫度的升高而增加。這將在READ_IOUT讀數(shù)中引入錯誤。這可以通過使用MFR_IOUT_CAL_GAIN_TC命令設(shè)置銅的溫度系數(shù)來補償。該值的數(shù)據(jù)手冊默認(rèn)值為3900 ppm/°C。 您可能需要調(diào)整該值以匹配您的電感器，因為當(dāng)電線是合金而不是純銅時，此參數(shù)可能會有很大差異。MFR_IOUT_CAL_GAIN_THETA是可以設(shè)置的熱時間常數(shù)。LTC297x 數(shù)據(jù)手冊更詳細(xì)地介紹了這些內(nèi)容。

重要的是在電感器附近放置一個溫度傳感器（二極管連接的雙極晶體管），以實現(xiàn)更精確的電流溫度補償。LTC2971 / LTC2972 / LTC2974 / LTC2975 器件具有 T意義連接到傳感器的針腳。

伊蒙

IMON引腳在許多穩(wěn)壓器中越來越受歡迎，包括開關(guān)穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器。這些穩(wěn)壓器具有電流檢測輸出引腳，用于監(jiān)控穩(wěn)壓器的負(fù)載電流。IMON 方法的優(yōu)點是它是無損的，并且無需擔(dān)心共模電壓，因為 LTC297x I意義引腳未連接到 V外.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，這需要將電阻連接到GND。 電流輸出 IMON 引腳允許用戶選擇一個電阻值，從而設(shè)置最大滿負(fù)載電壓。

單端電壓可以是比分流器或電感DCR上產(chǎn)生的電壓大得多的信號。LTC2972 和 LTC2971 器件甚至具有一個配置位以允許更大的信號電平。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。

應(yīng)選擇IMON電阻值，以便在所有負(fù)載條件下允許寬動態(tài)范圍。通常，IMON精度在中重負(fù)載電流條件下良好，但在輕負(fù)載下會失去精度。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請查看穩(wěn)壓器的數(shù)據(jù)手冊規(guī)格。

圖9.PSM使用IMON測量電流。

一些穩(wěn)壓器將電流限制功能與IMON引腳相結(jié)合。該引腳可以稱為IMON/ILIM。注意不要選擇IMON電阻值，以免IMON電壓在滿負(fù)載下激活電流限制電路。示例包括線性穩(wěn)壓器，例如 LT3072 和 LT3086。在其他情況下，例如 LT3094 和 LT3045，有一個 ILIM 引腳用作電流限值，并可用作輸出電流監(jiān)視器。在某些開關(guān)穩(wěn)壓器的情況下，引腳可能稱為IMON，內(nèi)置電流限制功能可能不明顯。示例包括 LT8652S 和 LT8708。限流電路具有折返功能，不會關(guān)閉輸出。為了關(guān)斷輸出，LTC298x 將檢測一種過流情況并將VOUT_EN拉低，從而使穩(wěn)壓器的輸出失效。

輸入電流檢測

電源系統(tǒng)可能具有單個輸入電源，為多個下游穩(wěn)壓器供電。輸入電源電流可由一個 LTC2971、LTC2972 或 LTC2975 測量。使用 LTC2971 / LTC2972 / LTC2975 測量 IIN 非常簡單，因為這些器件具有將引腳連接至一個檢測電阻器 R 的本機能力社交網(wǎng)絡(luò)在 V 的當(dāng)前路徑中在.IIN_SNS引腳的直接接線限制為 V在LTC2972/LTC2975的電源電壓為<15 V，LTC2971的電源電壓為<60 V。

圖 10.V在電流和電壓檢測。

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的PMBus寄存器，可將檢測電壓轉(zhuǎn)換為電流。在輸入電源電流的情況下，使用PMBus寄存器MFR_IIN_CAL_GAIN。然后可以從READ_IIN寄存器讀取輸入電源電流。

圖 11.V 的 PMBus 寄存器在電流測量。

我們不僅可以測量電流，還可以測量電壓。PMBus 命令是READ_IIN和READ_VIN。憑借電流、電壓和一個時基，LTC2971 / LTC2972 / LTC2975 還可以計算輸送到系統(tǒng)的功率和能量。能量累加器將在下一節(jié)中介紹。

LTC2971能夠檢測60 V電源軌上的輸入電源電流。IIN_SNS引腳可直接連接至電源輸入端的檢測電阻。對于高于24 V的電源電壓，我們建議使用降壓穩(wěn)壓器通過VPWR引腳為LTC2971供電。這節(jié)省了功率并避免了 LTC2971 的自發(fā)熱。功率因 V 而耗散壓水堆× I壓水堆并可能導(dǎo)致芯片溫度升高到高于預(yù)期。ADP2360具有5 V固定電壓選項，可為降壓穩(wěn)壓器提供低成本、小尺寸解決方案。

圖 12.高壓 V在利用 LTC2971 進行電流和電壓檢測。

電能計量

監(jiān)控能源使用情況可能很重要。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源，了解系統(tǒng)消耗的總能量都可能很有用。LTC2971 / LTC2972 / LTC2975 能夠?qū)斎腚娫催M行高端電流檢測。此功能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能量讀數(shù)相關(guān)的特性非常有用。選擇READ_EIN命令后，遙測窗口將顯示累積能量的實時圖。

圖 13.來自LTpowerPlay的實時能量圖。

電能表還測量輸入電源電壓，因此也能夠報告輸入功率。由于能量是功率和時間的乘積，因此累積的能量是根據(jù)經(jīng)理的內(nèi)部時基提供的。GUI 右上角顯示的測量儀提供了更多信息。指針是以瓦特為單位的輸入功率的實時指示器，較小的五個表盤顯示類似于家用電表的總累積能量。為方便起見，還提供數(shù)字讀數(shù)。

圖 14.LTpowerPlay中的能量計。

LTpowerPlay提供了一個簡單易懂的界面，將輸入和輸出電流、電壓、功率和能量讀數(shù)結(jié)合在一起。

輸入電流、輸入電壓、輸入功率和輸入能量可以表格格式查看。它們顯示在 GUI 的遙測部分中。MFR_EIN寄存器以毫焦耳為單位保存累積能量值。還有一個總時間，能量累加器一直處于活動狀態(tài)，顯示為MFR_EIN_TIME寄存器。當(dāng)單位從 mJ 更改為 J 再到 kJ 時，GUI 將自動更新顯示的 SI 前綴。

圖 15.與輸入電源電壓、電流、功率和能量相關(guān)的遙測視圖。

表 3 匯總了可從 LTC297x 讀回的所有遙測數(shù)據(jù)。寄存器是我2C/PMBus 字讀取，但MFR_EIN寄存器除外，這是一個塊讀取。

1. 如果設(shè)置了adc_hires位，則READ_VOUT值以 mV 為單位返回。L11 格式。

2. 塊讀取，包括能量值（以 mJ 為單位）和經(jīng)過時間（以毫秒為單位）。

審核編輯：郭婷