電流監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用場景和解決方案

引言：許多應(yīng)用需要輸出負(fù)載電流監(jiān)測，實(shí)際需求因系統(tǒng)而異，從簡單的參數(shù)數(shù)據(jù)記錄和報(bào)告到診斷、控制。有多種解決方案可用于監(jiān)測負(fù)載電流，每種解決方案都有自己的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，選擇正確的解決方案需要對系統(tǒng)需求進(jìn)行評估，并在性能、成本、面積和復(fù)雜性等因素之間進(jìn)行權(quán)衡。本節(jié)介紹集成電源開關(guān)中的輸出負(fù)載電流監(jiān)測功能，而不是獨(dú)立的電流監(jiān)測設(shè)備/解決方案。

1. 電流監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用場景

在整個(gè)系統(tǒng)或子系統(tǒng)中對電流監(jiān)測的需求各不相同，下面是一些電流監(jiān)控的應(yīng)用需求示例：

統(tǒng)功率報(bào)告

監(jiān)測電壓和電流等基本電氣參數(shù)的最常見原因是用于報(bào)告和數(shù)據(jù)記錄目的，例如在擁有數(shù)千臺服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心中，監(jiān)控單個(gè)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的功耗有助于統(tǒng)一分配工作負(fù)載，從而確保數(shù)據(jù)中心以最佳效率運(yùn)行。

工廠自動(dòng)化

系統(tǒng)電流監(jiān)控也適用于工廠自動(dòng)化，尤其是在使用M16和M18電纜來分配功率的遠(yuǎn)程輸入/輸出（I/O）模塊中，為了不超過電纜額定電流，監(jiān)測端口和系統(tǒng)的電流非常重要，否則可能會(huì)損壞系統(tǒng)。

動(dòng)態(tài)/實(shí)時(shí)控制

一些系統(tǒng)使用負(fù)載電流測量來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，在這樣的應(yīng)用中，除了準(zhǔn)確性之外，具有高帶寬和低延遲同樣重要。例如在服務(wù)器中，電源監(jiān)視器可以檢查整個(gè)系統(tǒng)電流是否快速上升超過某個(gè)閾值，并向中央或圖形處理單元發(fā)送信號，以快速降低其性能，從而防止整個(gè)系統(tǒng)關(guān)閉，通常此信號需要非?？欤ㄑ舆t<10us）。

診斷

通過查看不同部分的電流消耗，并將該消耗與基于正常操作期間的預(yù)期值的閾值進(jìn)行比較，可以識別系統(tǒng)中的故障，任何消耗明顯高或低電流的部分都可能指示故障。例如在工廠自動(dòng)化中，布線是電源和信號路徑的必要條件，因?yàn)樗植荚诖笮凸S環(huán)境中，數(shù)字輸出模塊通常將最大導(dǎo)線長度指定為100米。使用這種長度的導(dǎo)線，導(dǎo)線可能會(huì)意外斷裂，可以通過模擬電流監(jiān)測器或開路負(fù)載檢測功能監(jiān)測回路中的電流來檢測斷線。

類似地，汽車駕駛員輔助系統(tǒng)傳感器和天線通常通過長電纜連接，具有快速報(bào)警和診斷電線斷裂的能力對于確保安全操作至關(guān)重要。

預(yù)測性維護(hù)

一些系統(tǒng)（服務(wù)器、線卡和可編程邏輯控制器I/O模塊）監(jiān)測電氣參數(shù)的配置文件，并尋找時(shí)間/頻率特征的變化，以預(yù)測即將發(fā)生的故障，這些信息有助于系統(tǒng)操作員在故障發(fā)生前安排維護(hù)。預(yù)測性維護(hù)有助于避免計(jì)劃外停機(jī)、生產(chǎn)力損失甚至安全隱患，在這些應(yīng)用中，電流監(jiān)測器需要具有良好的分辨率來捕捉電流的細(xì)微變化，以及足夠的帶寬來捕捉電流中的任何瞬態(tài)或瞬時(shí)變化。

2. 電流監(jiān)測解決方案

根據(jù)所使用的感測元件（外部/內(nèi)部）和輸出類型（模擬/數(shù)字），有不同類型的電流監(jiān)測解決方案。

外部檢測元件

熱插拔控制器使用電源路徑中的外部Rsense來感測負(fù)載電流，Rsense兩端的電壓降由內(nèi)部高側(cè)電流感測放大器放大，然后作為模擬電流輸出被驅(qū)動(dòng)到外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，或者被饋送到內(nèi)部ADC，圖9-1顯示了使用外部感測元件的電流監(jiān)測。

圖9-1：使用外部檢測元件的電流監(jiān)測方框圖

需要根據(jù)熱插拔控制器數(shù)據(jù)表中指定的最大系統(tǒng)負(fù)載電流Imax和最大感測電壓Vsensemax來選擇Rsense值，公式1基于以上計(jì)算Rsense：

電流感測精度是Rsense容限和電流感測放大器增益/偏移誤差及其相關(guān)溫度系數(shù)的函數(shù)，通過使用精確的負(fù)載電流參考進(jìn)行系統(tǒng)級校準(zhǔn)，可以將誤差降至最低，但不可能消除溫度漂移。選擇溫度系數(shù)較低的感測電阻器，如薄膜或大塊金屬，其他誤差源主要源于電流感測路徑周圍的PCB布局不當(dāng)，為了獲得最佳結(jié)果，使用開爾文感應(yīng)連接。

基于外部電流感測電阻的解決方案的主要優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)在寬范圍內(nèi)感測電流時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)高線性和高精度。外部電流感測電阻器的缺點(diǎn)是增加了成本和板空間，以及感測電阻中的額外電壓降、功耗和自發(fā)熱。

內(nèi)部檢測元件

eFuse和智能高端開關(guān)使用內(nèi)部電流感應(yīng)電路，不需要電源路徑中的外部組件進(jìn)行電流感應(yīng)。電流感測通常使用某種形式的電流鏡電路來實(shí)現(xiàn)，該電路驅(qū)動(dòng)電流監(jiān)測器輸出引腳上的一部分主FET電流。圖9-2顯示了eFuse的框圖，它使用集成電流感測電路在專用引腳（IMON）上提供模擬電流監(jiān)測信號輸出。

圖9-2：eFuse電流監(jiān)測內(nèi)部方框圖

像一些特別的eFuse，在兩用引腳（ILIM）上提供模擬電流監(jiān)測器輸出，該引腳主要用于設(shè)置可調(diào)電流限制，如圖9-3所示，電流限制電阻器（RILM）兩端的電壓降提供了輸出負(fù)載電流的測量值。

集成電流感測解決方案的精度由與內(nèi)部電路相關(guān)的失配和其他誤差決定，內(nèi)部電路在出廠時(shí)進(jìn)行了微調(diào)，以在負(fù)載電流和工作溫度范圍內(nèi)提供高精度。部分eFuse還采用了像放大器這樣的電路技術(shù)，以最大限度地減少偏移誤差和隨時(shí)間、溫度的漂移。工廠微調(diào)和其他電路技術(shù)的使用最大限度地減少了對最終系統(tǒng)中任何額外校準(zhǔn)的需要，以實(shí)現(xiàn)高度準(zhǔn)確的電流測量。與基于外部感測電阻器的解決方案相比，內(nèi)部電流感測方案通過消除與感測電阻器相關(guān)的額外成本、尺寸、電壓降和加熱而提供顯著優(yōu)勢。

圖9-3：采用放大器技術(shù)提高精度的eFuse內(nèi)部方框圖

3.模擬輸出類型

輸出是與負(fù)載電流成比例的模擬電流信號，方程2和方程3表示輸出負(fù)載電流Iload和電流監(jiān)測信號IMON之間的關(guān)系：

其中，GMON為電流監(jiān)測增益，或者：

其中，KMON為電流感比值。

將電阻器（RMON）從電流輸出引腳（IMON）連接到GND將感測電流轉(zhuǎn)換為電壓，如等式4所示：

為了確保最大限度地利用測量的動(dòng)態(tài)范圍，選擇RMON的應(yīng)該使?jié)M刻度負(fù)載電流下的VMON與ADC或其輸入的任何其他下游電路的滿刻度電壓輸入相匹配。通過使用更大的RMON可以提高低電流下的靈敏度/分辨率，因?yàn)樗鄬τ谠肼曉黾恿丝捎玫男盘栯妷骸５禽^大的RMON也會(huì)增加較高電流下的電壓擺動(dòng)，并且由于IMON引腳驅(qū)動(dòng)器電路上的凈空限制，可能導(dǎo)致接近滿刻度的削波/飽和。

4. 高/低電流數(shù)字指示器

許多解決方案通過將負(fù)載電流與特定閾值進(jìn)行比較來確認(rèn)電流大小，并提供一個(gè)數(shù)字輸出標(biāo)志引腳。像智能高側(cè)開關(guān)提供了一個(gè)漏極開路狀態(tài)輸出引腳，以標(biāo)記系統(tǒng)已發(fā)生負(fù)載開路。開路或輕負(fù)載檢測需要考慮的一個(gè)重要方面是輸出電流的正常工作范圍，為了避免錯(cuò)誤的故障報(bào)告，標(biāo)稱工作范圍需要高于數(shù)據(jù)表中列出的最大空載檢測閾值。

此外，有的eFuse的集成模擬電流監(jiān)測器輸出（IMON）可以與集成比較器（PG、PGTH）一起重新調(diào)整用途，以提供開路或輕負(fù)載檢測功能，如圖9-4所示。通過添加外部比較器，也可以使用具有模擬電流監(jiān)測器輸出的其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)開路或輕負(fù)載檢測。

圖9-4：使用IMON、PGTH和PG進(jìn)行開路或輕負(fù)荷檢測/使用外部比較器進(jìn)行開路或輕負(fù)載檢測

5. 數(shù)字遙測輸出類型

數(shù)字電流監(jiān)測的另一種方法是遙測，這種電流監(jiān)測的數(shù)字方法包括感測模擬電流，并通過集成ADC將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后將其存儲(chǔ)在內(nèi)部數(shù)字寄存器中。然后使用諸如I2C或串行外圍接口總線之類的數(shù)字總線將數(shù)據(jù)報(bào)告回中央處理單元。圖9-5方框圖中突出顯示的部分展示了電流的感測和模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖9-5：LM5066I的內(nèi)部方框圖

存儲(chǔ)的模擬電流信息的數(shù)據(jù)格式可以由PMBus等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定義，也可以根據(jù)設(shè)備進(jìn)行自定義。PMBus是一種普遍的規(guī)范，有助于通過I2C標(biāo)準(zhǔn)化遙測數(shù)據(jù)的讀取和寫入，PMBus還定義了用于存儲(chǔ)功率和電壓數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)格式。

6. 電流監(jiān)控相關(guān)考慮點(diǎn)

以下是在為應(yīng)用場景選擇電流監(jiān)控解決方案時(shí)應(yīng)考慮的一些關(guān)鍵考慮點(diǎn)：

動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍是指電流監(jiān)測器電路能夠準(zhǔn)確感知和報(bào)告的負(fù)載電流范圍，如圖9-6所示，在所支持的動(dòng)態(tài)范圍之外的信號將具有顯著更高的測量誤差，或者可能根本沒有被感測到。動(dòng)態(tài)范圍通常在上端受到電流監(jiān)控放大器電路的凈空的限制，而在下端受到噪聲和偏移誤差的限制，通常在范圍的低端或高端的精度之間存在權(quán)衡。在電路中使用更高的增益或更大的感測電阻器通過增加相對于偏移和噪聲的信號來改善接近零標(biāo)度的性能，但是會(huì)導(dǎo)致接近滿標(biāo)度的輸出的削波和/或飽和。相反，使用較低的增益或較小的感測電阻器可以確保接近滿標(biāo)度時(shí)更好的線性度和精度，但在接近零標(biāo)度時(shí)會(huì)導(dǎo)致較差的測量精度。因?yàn)闇y量由偏移和噪聲主導(dǎo)，一些電流監(jiān)測設(shè)備使用斬波穩(wěn)定放大器、自動(dòng)調(diào)零放大器和多點(diǎn)微調(diào)等技術(shù)，以最大限度地減少偏移誤差，并提高低端范圍的性能。

圖9-6：電流監(jiān)控性能規(guī)范

直流精度

直流精度是電流監(jiān)測器輸出與預(yù)期值的絕對誤差/偏差的度量，用%FS或%讀數(shù)表示。誤差是諸如增益誤差、偏移誤差和非線性的分量的組合，雖然增益誤差在較高電流下占主導(dǎo)地位，但偏移誤差在較低電流下占支配地位。對于具有外部電流檢測電阻器的設(shè)備，檢測電阻器的公差也會(huì)導(dǎo)致整體電流監(jiān)測誤差，需要考慮誤差分量的溫度系數(shù)，以確定溫度測量的準(zhǔn)確性。

分辨率/靈敏度

分辨率/靈敏度是監(jiān)控電路能夠感應(yīng)到的最小電流變化的度量，通常在分辨率和動(dòng)態(tài)范圍之間進(jìn)行權(quán)衡。對于模擬監(jiān)控解決方案，更高的靈敏度意味著傳感電路的增益更高，對于數(shù)字輸出解決方案，更高的靈敏度還取決于ADC的分辨率。

帶寬

帶寬是監(jiān)控電路能夠感應(yīng)到的電流最快變化的度量，電路帶寬內(nèi)的任何信號都將被準(zhǔn)確地再現(xiàn)，而帶寬外的信號將被顯著衰減，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤的測量，帶寬還決定了電路檢測電流瞬時(shí)變化（如負(fù)載瞬態(tài)）的能力，如圖9-7所示。

圖9-7：電流監(jiān)測性能不足帶來的系統(tǒng)影響

延遲

延遲是負(fù)載電流的任何變化與該變化反映在測量輸出中的時(shí)間之間的延遲的度量，延遲通常是數(shù)字電流監(jiān)測解決方案中的一個(gè)參數(shù)，是模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間和通過數(shù)字電路的傳播延遲累加。

7. 結(jié)論

表9-8列出了一些具有當(dāng)前監(jiān)控能力的各種電源開關(guān)解決方案（僅作參考），除了提供電源路徑控制和保護(hù)外，熱插拔控制器、eFuse和智能高端開關(guān)等電源開關(guān)還可以通過執(zhí)行電流監(jiān)測來提供附加功能。雖然市場上有許多電源開關(guān)，但在某些情況下，可以根據(jù)其集成的電流監(jiān)測功能縮小選擇范圍。

表9-8：具有電流監(jiān)測功能的電源開關(guān)