使用78M6610+PSU能量測(cè)量處理器進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)校準(zhǔn)

78M6610+PSU 是一款能量測(cè)量處理器，嵌入在大功率開關(guān)模式電源單元 （PSU） 中，用于測(cè)量和報(bào)告系統(tǒng)使用的實(shí)時(shí)功率。與任何測(cè)量設(shè)備一樣，與78M6610 + PSU一起使用的檢測(cè)電路必須經(jīng)過校準(zhǔn)，然后才能將其測(cè)量視為準(zhǔn)確。本應(yīng)用筆記演示了如何使用78M6610+PSU校準(zhǔn)測(cè)量子系統(tǒng)。

介紹

78M6610+PSU為電壓和電流測(cè)量的系統(tǒng)內(nèi)校準(zhǔn)提供了自動(dòng)化例程，以考慮電壓和電流測(cè)量信號(hào)鏈組件中的系統(tǒng)間變化。對(duì)于交流測(cè)量，執(zhí)行單點(diǎn)校準(zhǔn)以計(jì)算系統(tǒng)的正確電流和電壓增益設(shè)置。新計(jì)算的增益可以作為新的默認(rèn)值存儲(chǔ)在片上閃存中。電壓或電流輸入的任何直流分量都由78M6610+PSU固件中實(shí)現(xiàn)的數(shù)字高通濾波器去除;因此，不需要或執(zhí)行直流失調(diào)校準(zhǔn)。

本應(yīng)用筆記介紹了78M6610+PSU電壓和電流測(cè)量的校準(zhǔn)程序和比例。請(qǐng)注意，這些過程僅與固件版本 CB26 相關(guān)，對(duì)于未來版本可能會(huì)有所不同。

78M6610+PSU數(shù)據(jù)手冊(cè)和78M6610+PSU評(píng)估套件用戶手冊(cè)提供了補(bǔ)充本應(yīng)用筆記的其他信息。

這里給出的示例假設(shè)電阻分壓器用于電壓檢測(cè)，分流電阻用于電流測(cè)量。所使用的傳感器類型不會(huì)改變校準(zhǔn)程序，但未提供其他傳感器類型的示例。使用標(biāo)準(zhǔn)78M6610+PSU評(píng)估（EV）套件提供的GUI和電路板的校準(zhǔn)程序的實(shí)際示例顯示在使用78M6610+PSUEVK的校準(zhǔn)程序示例部分。

縮放值

為了校準(zhǔn)電壓和電流測(cè)量值，并允許78M6610+PSU執(zhí)行正確的功率計(jì)算，用戶必須首先設(shè)置正確的縮放值，以匹配所選傳感器和LSB尺寸。

固件提供電流、電壓、功率和頻率的縮放寄存器。對(duì)于前三個(gè)（電流、電壓和功率），這些縮放寄存器具有兩個(gè)功能：

設(shè)置測(cè)量的預(yù)期滿量程值。

設(shè)置報(bào)告值的分辨率或最低有效位 （LSB） 值。

對(duì)于最后一項(xiàng)（頻率），縮放參數(shù)不定義滿量程值，但會(huì)設(shè)置分辨率。

確定縮放值

為縮放寄存器選擇的值由 78M6610+PSU 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 的輸入范圍、目標(biāo)系統(tǒng)或評(píng)估 （EV） 板上實(shí)現(xiàn)的傳感器和輸入信號(hào)調(diào)理電路以及 78M6610+PSU 數(shù)據(jù)字的長(zhǎng)度決定。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入范圍

78M6610+PSU ADC 的輸入范圍為 ±250mV，參考 3.3V 電源 （V3P3A).確定電壓和電流縮放值的第一步是確定峰值輸入電壓和電流（在傳感器輸入端），該峰值電壓和電流在250M78+PSU的ADC輸入端產(chǎn)生±6610mV峰值。請(qǐng)考慮以下示例。

78M6610+PSU評(píng)估板具有用于線路電壓測(cè)量的分壓器，由兩個(gè)1MΩ電阻和一個(gè)750Ω電阻串聯(lián)組成，如圖1所示。

圖1.用于入口電壓檢測(cè)的分壓器。

線路電壓施加在整個(gè)電阻鏈上。ADC輸入是750Ω電阻兩端的電壓。ADC輸入端的電壓，V模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以計(jì)算為：

這會(huì)將輸入線路電壓調(diào)整為 0.000375 倍。使用此分壓器，78M6610+PSU 可以測(cè)量的最大電壓為：

因此，該分壓器的最大輸入電壓為±667V峰或 472V有效值，假設(shè)為正弦電壓波形。

對(duì)于電流測(cè)量，78M6610+PSU評(píng)估板使用0.004Ω分流電阻。在該電阻兩端產(chǎn)生±250mV壓降的電流幅度為：

4mΩ分流器可測(cè)量的最高峰值電流為62.5A。對(duì)于正弦電流波形，這相當(dāng)于 44.19A有效值.在確定要測(cè)量的最大電流時(shí)，有必要考慮峰值電流而不是RMS電流。在電源應(yīng)用中，由于功率因數(shù)校正，高負(fù)載下的電流波形通常幾乎是正弦的。因此，假設(shè)波峰因數(shù)（即峰值電流與RMS電流之比）在1.414和1.5之間是合理的。

這些計(jì)算表示電壓和電流縮放值的上限。在縮放寄存器中設(shè)置的值定義了固件可以測(cè)量和報(bào)告的最大幅度輸入。

測(cè)量分辨率

縮放寄存器中的值還設(shè)置了報(bào)告測(cè)量的分辨率。對(duì)于電壓、電流和功率，縮放值的計(jì)算方法是將基本測(cè)量單位（伏特、安培或瓦特）除以所需的分辨率或 LSB 的權(quán)重。

如表1和表2所示，LSB權(quán)重不限于測(cè)量單位的小數(shù)部分。

普卡爾價(jià)值

由于功率是電流和電壓的乘積，因此輸入到 PScale 寄存器中的值由用于確定 VScale 和 IScale 寄存器值的最大峰值電壓和電流值的乘積以及所需的功率報(bào)告分辨率確定。

例如，如果 V.MAX= 200V，電壓分辨率為10mV/LSB;我.MAX= 20A，電流分辨率為1mA/LSB;功率的LSB權(quán)重為1mW，PScale的計(jì)算公式為：

所有縮放值，尤其是 PScale，都受到大小限制：它們必須適合 24M78+PSU 的 6610 位數(shù)據(jù)字?？s放值實(shí)現(xiàn)為 24 位整數(shù)，但它們必須始終為正值?？梢杂?24 位整數(shù)表示的最大正值為 8，388，607 （223- 1).如果計(jì)算出的縮放值大于 8，388，607，則必須調(diào)整最大值和/或 LSB 權(quán)重，以生成可表示為 24 位有符號(hào)整數(shù)的正值。表 78 顯示了 6610M3+PSUEVK 的默認(rèn)縮放比例。

78M6610+PSUEVK 的 PC 演示程序在顯示數(shù)據(jù)值和輸入校準(zhǔn)目標(biāo)值時(shí)考慮了縮放參數(shù)。

TScale、PFScale 和 FScale

其余的縮放值（TScale、PFScale和FScale）不會(huì)直接影響校準(zhǔn)或測(cè)量值的滿量程范圍，而僅決定報(bào)告該值的分辨率或LSB權(quán)重。例如，如果 FScale 設(shè)置為 1000，則報(bào)告的頻率分辨率為 1/1000Hz。同樣，將 PFScale 設(shè)置為 1000 意味著在小數(shù)點(diǎn)右側(cè)報(bào)告三位數(shù)字的功率因數(shù)。

測(cè)量注意事項(xiàng)

在大多數(shù)情況下，電源應(yīng)用所需的測(cè)量值是電壓、電流和功率。這些測(cè)量值在系統(tǒng)的電源入口處提供。然而，電氣隔離、物理約束和EMI等系統(tǒng)考慮因素可能意味著直接在電源插座上進(jìn)行測(cè)量是不可行的。為了達(dá)到高精度，在校準(zhǔn)過程中應(yīng)考慮測(cè)量點(diǎn)之前的組件。對(duì)于開關(guān)模式電源，通常在輸入EMI濾波器的各個(gè)部分之間進(jìn)行電壓和電流測(cè)量，如圖2所示。在這種情況下，78M6610+PSU不會(huì)測(cè)量濾波電容器（通常稱為X和Y電容器）中的電流以及PCB走線和共模扼流圈上的壓降，而是應(yīng)在測(cè)量中考慮。

圖2.電源中的典型測(cè)量位置。

78M6610+PSU固件專門設(shè)計(jì)用于補(bǔ)償這些無法直接測(cè)量的電壓和電流組件。這些補(bǔ)償系數(shù)可以輸入為根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算的固定值。該固件還包括自動(dòng)校準(zhǔn)程序，用于確定 X 和 Y 電容器的正確系數(shù)以及任何壓降。

一般校準(zhǔn)

對(duì)于設(shè)備的常規(guī)校準(zhǔn)，用戶可以通過命令寄存器設(shè)置和啟動(dòng)校準(zhǔn)程序。校準(zhǔn)過程完成后，將清除命令寄存器位 23：16（設(shè)置為 0xCA 以發(fā)出校準(zhǔn)命令），以及與成功校準(zhǔn)的參數(shù)關(guān)聯(lián)的位。與任何失敗的參數(shù)關(guān)聯(lián)的位將保持設(shè)置狀態(tài)。命令寄存器的位圖如圖3所示。校準(zhǔn)完成后，可以通過發(fā)出訪問 （ACC） 命令將新系數(shù)作為默認(rèn)值保存到閃存中。

圖3.78M6610+PSU 命令寄存器位圖。

本應(yīng)用筆記的后續(xù)部分將介紹使用78M6610+PSU時(shí)的具體校準(zhǔn)過程。

電壓和電流增益校準(zhǔn)

為了成功校準(zhǔn)78M6610+PSU，用戶必須根據(jù)系統(tǒng)中使用的傳感器設(shè)置適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏鞅壤蜃樱绱_定縮放值一節(jié)所述。

必須為系統(tǒng)提供已知且穩(wěn)定的電壓源和負(fù)載，如圖4所示，并且必須對(duì)要校準(zhǔn)的傳感器施加穩(wěn)定的交流電源和負(fù)載。與所應(yīng)用的交流電源（通常用功率計(jì)測(cè)量）對(duì)應(yīng)的值必須輸入到相關(guān)的目標(biāo)寄存器（例如，VTarget、ITarget）中。

要開始校準(zhǔn)，請(qǐng)將校準(zhǔn)命令寫入命令寄存器。建議在校準(zhǔn)期間設(shè)置線路鎖定模式。

最初，所選參數(shù)的增益值設(shè)置為單位。然后計(jì)算所有輸入的RMS值，并在CalCyc寄存器設(shè)置的測(cè)量周期數(shù)內(nèi)取平均值。新增益的計(jì)算方法是將適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)寄存器值除以平均測(cè)量值。然后，新的增益將寫入選定的增益寄存器，除非發(fā)生錯(cuò)誤。電壓和電流增益的計(jì)算基于目標(biāo)值（通過寄存器VTarget和ITarget輸入）與測(cè)量值之間的誤差。誤差是多次測(cè)量的平均值，因此需要穩(wěn)定的源和負(fù)載。

完成后，命令位在命令寄存器中清除，僅保留系統(tǒng)設(shè)置位。如果校準(zhǔn)失敗，命令寄存器中的相應(yīng)位將保持設(shè)置。校準(zhǔn)例程將新的增益系數(shù)存儲(chǔ)在相關(guān)寄存器中。為了將新系數(shù)作為默認(rèn)值保存到閃存，用戶必須發(fā)出 Access 命令。

圖4.用于系統(tǒng)校準(zhǔn)的典型連接。

偏移校準(zhǔn)

78M6610+PSU 固件提供用于校準(zhǔn)偏移寄存器（Ioff、Voff）的內(nèi)置例程。

為了校準(zhǔn)偏移，應(yīng)從所有輸入中移除所有直流信號(hào);可以在存在交流信號(hào)的情況下進(jìn)行校準(zhǔn)。在命令寄存器中，用戶指定要校準(zhǔn)的通道。目標(biāo)寄存器不用于失調(diào)校準(zhǔn)。

在校準(zhǔn)過程中，每個(gè)輸入在CalCyc寄存器指定的整個(gè)校準(zhǔn)間隔內(nèi)累積。如果在校準(zhǔn)命令中選擇了特定的偏移寄存器，則結(jié)果除以樣本總數(shù)，并寫入相應(yīng)的偏移寄存器。偏移校準(zhǔn)命令將高通濾波器 （HPF） 系數(shù)（HPFCoeffV、HPFCoeffI）設(shè)置為零，從而將偏移寄存器（Ioff、Voff）固定為其校準(zhǔn)值。

為了將新系數(shù)作為默認(rèn)值保存到閃存，用戶必須發(fā)出 Access 命令。

校準(zhǔn) X+Y 電容器和 R 補(bǔ)償系數(shù)

大多數(shù)大功率應(yīng)用使用線路輸入濾波器來最大限度地降低EMI輻射，如圖5所示。濾波電容器中的電流（I帽） 前面的 78M6610+PSU 無法測(cè)量。由于電流相對(duì)于電壓是90°相移的，因此對(duì)功率測(cè)量沒有影響。但是，為了在電流測(cè)量中獲得高精度，電容器中的電流應(yīng)與總電流（I有效值） 計(jì)算。

可以使用根據(jù)濾波電容值計(jì)算的固定補(bǔ)償系數(shù)值。濾波電容的容差通常為±20%，可能需要每個(gè)系統(tǒng)的特定系數(shù)，以便在電流測(cè)量中獲得更高的精度。78M6610+PSU 提供 X+Y 電容器補(bǔ)償系數(shù)的校準(zhǔn)程序。X+Y電容補(bǔ)償系數(shù)的常規(guī)校準(zhǔn)利用測(cè)量的電壓和頻率以及使用外部功率計(jì)測(cè)量的目標(biāo)電流，如圖5所示。

要開始校準(zhǔn)，用戶編寫校準(zhǔn)命令，設(shè)置位 X、Y、R 和 I 以及其他所需的選項(xiàng)，例如線鎖定。在校準(zhǔn)過程中，每個(gè)輸入在CalCyc寄存器指定的整個(gè)校準(zhǔn)間隔內(nèi)累積。完成后，將寫入 XYcomp 參數(shù)，并附上大容量電容的估計(jì)值。校準(zhǔn)例程將新的增益系數(shù)存儲(chǔ)在相關(guān)寄存器中。

此例程不是遞歸的;用戶可能需要重新發(fā)出校準(zhǔn)命令，直到電流讀數(shù)與目標(biāo)電流匹配。

為了將新系數(shù)作為默認(rèn)值保存到閃存，用戶必須發(fā)出 Access 命令。

圖5.在典型校準(zhǔn)設(shè)置中使用線路輸入濾波器以最大限度地降低EMI。

片上溫度校準(zhǔn)

要校準(zhǔn)片內(nèi)溫度傳感器，用戶必須首先僅將“T”命令位寫入“1”（所有其他位為0）。此命令可防止 78M6610+PSU 固件覆蓋 TempC 寄存器。接下來，用戶必須將已知的芯片溫度寫入TempC。最后，用戶將校準(zhǔn)命令寫入0xCA0400（校準(zhǔn)溫度）。這會(huì)導(dǎo)致 Toff 參數(shù)根據(jù)用戶提供的已知溫度使用新的偏移量進(jìn)行更新。

為了將新系數(shù)作為默認(rèn)值保存到閃存，用戶必須發(fā)出 Access 命令。

外部溫度校準(zhǔn)

要校準(zhǔn)外部溫度，用戶必須首先僅將“X”命令位寫入“1”（所有其他位為0）。這可以防止 78M6610+PSU 固件覆蓋 ExtTemp 寄存器。接下來，用戶必須將已知的外部溫度讀數(shù)寫入ExtTemp。最后，用戶編寫校準(zhǔn)命令以0xCA0100（校準(zhǔn)外部溫度）。這會(huì)導(dǎo)致Xgain參數(shù)根據(jù)用戶提供的已知外部溫度值使用新增益進(jìn)行更新。

為了將新系數(shù)作為默認(rèn)值保存到閃存，用戶必須發(fā)出 Access 命令。

校準(zhǔn)程序

78M6610+PSU校準(zhǔn)功能在校準(zhǔn)點(diǎn)和執(zhí)行校準(zhǔn)的順序方面提供了極大的靈活性。例如，電流和電壓可以按順序或同時(shí)校準(zhǔn)。當(dāng)固件完成電流校準(zhǔn)時(shí)，它會(huì)檢查是否也請(qǐng)求了電壓校準(zhǔn)。如果是這樣，則開始電壓校準(zhǔn)。雖然電壓和電流校準(zhǔn)可以在任何工作點(diǎn)進(jìn)行，但根據(jù)系統(tǒng)特性選擇校準(zhǔn)點(diǎn)可以獲得最佳精度。

其他一些校準(zhǔn)操作（如溫度校準(zhǔn)）必須作為單獨(dú)的操作執(zhí)行。如果圖 6 中橢圓形表示的校準(zhǔn)功能沒有顯示退出箭頭，則意味著一旦校準(zhǔn)功能完成，固件不會(huì)啟動(dòng)任何進(jìn)一步的校準(zhǔn)操作，直到另一個(gè)校準(zhǔn)命令（0xCA0000 + 請(qǐng)求位）寫入命令寄存器。例如，如果同時(shí)請(qǐng)求芯片溫度（位 10）、電流（位 11）和電壓（位 12），則僅執(zhí)行溫度校準(zhǔn)（位 10）;電流（位 11）和電壓（位 12）將保持設(shè)置。

固件處理不同校準(zhǔn)請(qǐng)求的順序如圖6所示。在檢查圖3時(shí)，參考圖6中的命令寄存器位圖可能會(huì)有所幫助。

圖6.78M6610+PSU校準(zhǔn)命令流程圖。

推薦的校準(zhǔn)順序

執(zhí)行不同校準(zhǔn)操作的順序會(huì)影響預(yù)期工作范圍內(nèi)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。下面描述的序列已被證明可提供最佳結(jié)果。

在接近 PSU 設(shè)計(jì)電壓范圍低端的交流入口電壓下校準(zhǔn)電流測(cè)量值。應(yīng)加載 PSU 以提供 0.9 或更高的功率因數(shù)，如參考表所示。當(dāng)電流校準(zhǔn)在低電壓下完成時(shí)，X和Y電容器中的電流（由參考儀表測(cè)量而不是由計(jì)量設(shè)備測(cè)量）最小化。

在高線路電壓和低電流（I有效值< 500mA）。電壓和電流測(cè)量是獨(dú)立的。在低輸入電流下校準(zhǔn)電壓可最大限度地減少 PCB 以及交流電源入口和 78M6610+PSU 測(cè)量點(diǎn)之間的組件中的壓降。

在高線路電壓和低電流下校準(zhǔn) X+Y 電容器補(bǔ)償。在高電壓下，X和Y電容器中的電流增加，在低電流下，電容器電流與78M6610+PSU測(cè)量的電流之比較大，這提高了X+Y電容器補(bǔ)償校準(zhǔn)的結(jié)果。

在低輸入電壓和高電流下校準(zhǔn) R 補(bǔ)償。高電流會(huì)增加PCB和EMI濾波器中壓降的大小;低輸入電壓增加了入口和測(cè)量點(diǎn)之間的壓降與 78M6610+PSU 測(cè)量的電壓之比。

將更新的校準(zhǔn)值保存到閃存中。

使用 78M6610+PSUEVK 的校準(zhǔn)程序示例

本節(jié)逐步說明使用安裝在78W服務(wù)器電源上的標(biāo)準(zhǔn)6610M750+PSU評(píng)估板的校準(zhǔn)程序。校準(zhǔn)需要兩點(diǎn)，包括電壓、電流和 X+Y 電容補(bǔ)償系數(shù)。

對(duì)電源進(jìn)行了修改，便于連接評(píng)估板。測(cè)量位置是此類應(yīng)用的典型位置;圖7所示為電源輸入級(jí)（EMI濾波器）和評(píng)估板。

圖7.校準(zhǔn)示例的測(cè)試設(shè)置。

為了對(duì) 78M6610+PSU 進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)校準(zhǔn)，需要穩(wěn)定的交流電源和電源輸出上的負(fù)載。還需要知道入口電流和電壓。如果交流電源無法提供電流和電壓的準(zhǔn)確讀數(shù)，則需要功率計(jì)。

對(duì)于此示例，使用以下設(shè)備：

交流電源：色度型號(hào)6430?

功率計(jì)：色度型號(hào)66202

直流負(fù)載：Chroma型號(hào)6314、63106（直流負(fù)載主機(jī)和直流電子負(fù)載模塊）

具有 78M6610+PSUEVK 提供的標(biāo)準(zhǔn) GUI 的計(jì)算機(jī)

第 1 步。電流增益校準(zhǔn)

在此步驟中（見圖8），校準(zhǔn)電流增益。X+Y電容補(bǔ)償系數(shù)的值必須設(shè)置為零。必須加載電源輸出以獲得近似單位的功率因數(shù);功率因數(shù)通過功率計(jì)測(cè)量。電源輸入應(yīng)設(shè)置為工作電壓的較低范圍（例如，100VAC）。這樣，電流對(duì)濾波電容器的影響最小，從而可以獲得更高的精度。必須輸入通過功率計(jì)讀取的電流值作為新的目標(biāo)電流，并且必須輸入校準(zhǔn)命令。

圖8.校準(zhǔn) 78M6610+PSUEVK GUI 中的電流增益。

第 2 步。電壓增益校準(zhǔn)

第二步（見圖9）包括校準(zhǔn)電壓增益。在此步驟中，可以降低輸出負(fù)載。輸入電壓應(yīng)設(shè)置為上限。

圖9.校準(zhǔn) 78M6610+PSUEVK GUI 中的電壓增益。

第 3 步。X+Y 電容器補(bǔ)償系數(shù)校準(zhǔn)

在第三步（見圖10）中，設(shè)置X+Y電容的補(bǔ)償系數(shù)。

圖 10.校準(zhǔn) 78M6610+PSUEVK GUI 中的 X+Y 電容器補(bǔ)償系數(shù)。

第 4 步。將新計(jì)算的系數(shù)存儲(chǔ)在閃存中作為默認(rèn)值

準(zhǔn)確度結(jié)果

校準(zhǔn)后的精度結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖 11.120V 負(fù)載線有效值.

圖 12.230V 負(fù)載線有效值.

結(jié)論

許多系統(tǒng)（如服務(wù)器電源）需要準(zhǔn)確實(shí)時(shí)報(bào)告負(fù)載的功率、電流、電壓和所有電氣特性。此報(bào)告對(duì)于正確的負(fù)載管理和診斷是必需的。為了達(dá)到高精度，建議進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)校準(zhǔn)。正如我們?cè)诒緫?yīng)用筆記中看到的，78M6610+PSU提供了片上例程，以執(zhí)行快速系統(tǒng)內(nèi)校準(zhǔn)。這些例程可以減少測(cè)試和校準(zhǔn)時(shí)間，從而降低成本。