一款便利的電路板級(jí)能量監(jiān)視器

>>>>引 言

如果告訴別人，你在家里屋頂上安裝了一個(gè)太陽能電池板系統(tǒng)，那么你可能會(huì)遇到一大堆問題，包括 “你安裝了多少電池板?” 或者 “你的系統(tǒng)多大?” 大多數(shù)人會(huì)以一種有時(shí)轉(zhuǎn)彎抹角的方式試圖估測(cè)你的系統(tǒng)額定功率。接著，他們或許繼續(xù)詢問你的電池板效率有多高，你的系統(tǒng)是否仍然連接至電網(wǎng)，或者整個(gè)系統(tǒng)花了你多少錢，所有這些都是完全有效的問題。然而，如果你像我一樣，喜歡首先說明 “主要部分” (并盡量減少別人的提問)，那么就要嘗試以說明自己的耗電量和發(fā)電量作為交談的開始，因?yàn)榕c功率不同，從耗電和發(fā)電的角度來看，能量是終局，而且是任何系統(tǒng)真正的性能度量指標(biāo)。

在很多應(yīng)用而不僅是太陽能系統(tǒng)中，監(jiān)視能量都有很多類似的好處。市面上廣泛提供手持式、機(jī)架式和直插式能量計(jì)，很多人都可以使用，例如設(shè)施管理員可以用來跟蹤和分配設(shè)備或部門等使用的能量。能量計(jì)的使用也許還包括負(fù)載記錄與分析，這時(shí)比較預(yù)期能耗與當(dāng)前能量使用情況，并根據(jù)其與已建立能量模型之間的偏差，標(biāo)記需要關(guān)注的區(qū)域。通過調(diào)節(jié)負(fù)載，人們可以決定，任何時(shí)刻可以連接到系統(tǒng)多少設(shè)備，例如電燈、電腦、電池等。電動(dòng)自行車和電動(dòng)汽車可以報(bào)告它們的每英里能量使用情況，量化從電池抽取或返回電池的能量。

盡管能量監(jiān)視應(yīng)用豐富多彩，但是市場(chǎng)上卻極少有能量監(jiān)視 IC。很多系統(tǒng)設(shè)計(jì)師用功率監(jiān)視 IC 應(yīng)付，例如凌力爾特公司的 100V LTC2945 功率監(jiān)視器，并用一個(gè)微處理器跟蹤功率和時(shí)間信息，同時(shí)計(jì)算能量。盡管不需要復(fù)雜的編碼，但是這種解決方案的主要缺點(diǎn)是牽制了計(jì)算資源。凌力爾特的 100V LTC2946 能量監(jiān)視器是一款更加簡(jiǎn)練的解決方案，提供直接能量測(cè)量，用戶能夠靈活地選擇自己的檢測(cè)電阻器，但是當(dāng)需要測(cè)量大電流時(shí)，挑戰(zhàn)就出現(xiàn)了。接下來就是凌力爾特早該推出的 LTC2947 能量監(jiān)視器了，該器件集成了 30A 檢測(cè)電阻器，對(duì)如今要求最苛刻的應(yīng)用而言，該器件能提供極其切合實(shí)際的能量監(jiān)視。

>>>>再論檢測(cè)電阻器

使用以檢測(cè)電阻器作為電流檢測(cè)組件的功率或能量監(jiān)視 IC 進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，計(jì)算所需檢測(cè)電阻器通常是個(gè)非常容易的任務(wù)。只需應(yīng)用歐姆定律，獲取數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的滿標(biāo)度電壓，然后除以負(fù)載電流即可。然后，去喜歡的電子組件分銷商的網(wǎng)站上查一下，看看有哪些真實(shí)的電阻器值可用。直到開始測(cè)量兩位數(shù)的電流為止，事情都足夠簡(jiǎn)單。

以 LTC2946 寬范圍 I²C 功率、電荷和能量監(jiān)視器為例，該器件的滿標(biāo)度電壓約為 100mV。如果 LTC2946 用來測(cè)量一個(gè) 30A 軌，那么需要 3.3m? 檢測(cè)電阻器，這種阻值的電阻器輕而易舉就可得到，但是這個(gè)電阻器會(huì)消耗 2.9W 功率！這個(gè)世界上即使有人但也極少愿意為了簡(jiǎn)單的能量測(cè)量而消耗這么大的功率。此外，因?yàn)楣β氏暮艽螅庋b絕對(duì)有可能是不 “標(biāo)準(zhǔn)” 的，因此相當(dāng)昂貴。例如，Digi-Key 銷售的 Vishay CSM3637P 3.3m? ±1% 5W 檢測(cè)電阻器，如圖 1a 所示，千片批購價(jià)為每片 6.90 美元！其 6mm x 3mm x 0.6mm 大型金屬鋁箔封裝實(shí)際上使該電阻器成了一個(gè)難以安裝的 5W 散熱器。

如果用 LTC2946 測(cè)量較小的電流，例如 6A 軌，那么需要 16m? 檢測(cè)電阻器，功耗則是更可接受的 0.57W。Digi-Key 銷售松下 ERJ8CW 16m? ±1% 1W 檢測(cè)電阻器，如圖 1b 所示，千片批購價(jià)為每片 0.09 美元，也可以接受。這款電阻器采用纖巧的 3.2mm x 1.6mm x 0.65mm 1206 封裝，不難安裝，也不會(huì)占用很大的電路板空間。其實(shí)，這構(gòu)成了一個(gè)準(zhǔn)確度為 2.4% 的能量監(jiān)視解決方案，在-40°C 至 85°C 工作溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，對(duì)某些應(yīng)用而言，這也許太不準(zhǔn)確了。這個(gè) 2.4% 還不包括 LTC2946 和檢測(cè)電阻器之間的外部連接 (即引線和走線) 產(chǎn)生的熱電偶效應(yīng)導(dǎo)致的任何不準(zhǔn)確性。

圖1a：LTC2946用3.3m?檢測(cè)電阻器測(cè)量30A軌的能量

圖1b：LTC2946用16m?檢測(cè)電阻器測(cè)量6A軌的能量

無論你想測(cè)量 30A 軌還是 6A 軌，一種更簡(jiǎn)單的方式以替代 LTC2946 的器件就是 LTC2947 能量監(jiān)視器，如圖 2 所示，該器件集成了一個(gè) 300μ? 檢測(cè)電阻器，消除了使用外部檢測(cè)電阻器測(cè)量大電流的諸多難題，包括功耗、準(zhǔn)確度、溫度漂移和尺寸問題。當(dāng)測(cè)量 30A 滿標(biāo)度電流時(shí)，LTC2947 集成的檢測(cè)電阻器上之壓降僅為 10mV，從而導(dǎo)致僅約 1/4 W 的功耗，或者測(cè)量 6A 軌時(shí)功耗為 10mW。除了低功耗，由于其僅為 -9mA (2.7μV) 的低失調(diào)，LTC2947 還提供很大的動(dòng)態(tài)范圍。經(jīng)過溫度補(bǔ)償?shù)哪芰孔x數(shù)確保在室溫時(shí)準(zhǔn)確度為 1.2%，在 -40°C 至 85°C 的整個(gè)溫度范圍內(nèi)，準(zhǔn)確度為 1.5%。此外， LTC2947 采用 4mm x 6mm 32 引腳 QFN 封裝，從而非常適用空間受限設(shè)計(jì)。

圖 2：集成了檢測(cè)電阻器的 LTC2947 功率 / 能量監(jiān)視器

>>>>能量測(cè)量

LTC2947 測(cè)量很多參數(shù)，包括電流、電壓、功率、電荷、能量、溫度和時(shí)間。參見圖 3 所示方框圖。LTC2947 采用 3 個(gè) ΔΣ ADC，其中兩個(gè)測(cè)量電壓和電流，第三個(gè) ADC 計(jì)算功率。在連續(xù)模式，ADC 連續(xù)并同時(shí)測(cè)量電流、電壓、功率和溫度，且每隔 100ms 更新一次相應(yīng)的內(nèi)部寄存器。單穩(wěn)態(tài)模式觸發(fā)一組循環(huán)測(cè)量。當(dāng)無需進(jìn)行測(cè)量時(shí)，LTC2947 可進(jìn)入停機(jī)模式，這時(shí)總電流消耗降至不到 10μA，或進(jìn)入空閑模式，這時(shí)所有電路保持有效，并準(zhǔn)備進(jìn)入連續(xù)、單穩(wěn)態(tài)或停機(jī)模式。

圖 3：LTC2947 方框圖

LTC2947 1.3% 的能量測(cè)量準(zhǔn)確度確實(shí)得益于其計(jì)算功率的獨(dú)特方法。與現(xiàn)有功率監(jiān)視器以一個(gè) ADC 的轉(zhuǎn)換速率倍增功率不同，LTC2947 執(zhí)行了一種獨(dú)特的測(cè)量方案，可實(shí)現(xiàn)最大的功率測(cè)量準(zhǔn)確度。LTC2947 中的 3 個(gè) ADC 各針對(duì)一項(xiàng)特定的任務(wù)量身打造。第一個(gè) ADC 負(fù)責(zé)測(cè)量 -30A 至 30A 的電流，并運(yùn)用連續(xù)失調(diào)校準(zhǔn)確保以相同的權(quán)重對(duì)所有的輸入采樣進(jìn)行平均處理，并且不會(huì)漏失任何采樣。

第二個(gè) ADC 在第一個(gè) ADC 測(cè)量電流的同時(shí)測(cè)量內(nèi)部溫度和差分電壓。溫度被報(bào)告給主機(jī)，并在內(nèi)部被 LTC2947 用來補(bǔ)償內(nèi)部電流檢測(cè)電阻器的溫度漂移，從而實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的電流測(cè)量。由于 LTC2947 具有 0V 至 15V 的軌至軌工作范圍，因此它適用于多種類型的系統(tǒng)。不僅額定絕對(duì)最大值為 20V 的電源和檢測(cè)引腳為 12V 應(yīng)用提供了很大的儲(chǔ)備空間，而且零伏 (0V) 檢測(cè)監(jiān)視能力在監(jiān)視短路或斷電情況下的電流水平方面同樣是十分有用。0V 電壓下的故障電流水平能夠立即指示電源或負(fù)載是否已經(jīng)損壞，并不需要增加額外的電路。

測(cè)量功率和能量時(shí)，LTC2947 的 “秘密武器” 確實(shí)藏在第三個(gè) ADC 中，在進(jìn)行任何轉(zhuǎn)換平均之前，這個(gè) ADC 在 5MHz 采樣頻率時(shí)乘以電流和電壓。你知道，在典型的功率或能量監(jiān)視 IC 中，用一個(gè)或兩個(gè) ADC 測(cè)量電流和電壓，結(jié)果相乘以得到功率。然而，因?yàn)橥ǔＪ褂?ΔΣ ADC，所以用來相乘的值是平均電流值和平均電壓值，這總是會(huì)導(dǎo)致一些功率誤差。LTC2947 并未進(jìn)行平均值的乘法運(yùn)算，而是把電流和電壓的原始 (在抽取濾波器之前) 讀數(shù)相乘，然后轉(zhuǎn)換結(jié)果。這就使 LTC2947 能夠在電流和電壓變化高達(dá) 50kHz 時(shí)，準(zhǔn)確地測(cè)量功率，這種變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其轉(zhuǎn)換頻率范圍。例如，如果從一個(gè)阻抗極大的電池吸取功率，就有可能發(fā)生這種情況。

圖 4 顯示了一個(gè)在 20μs 時(shí)間間隔內(nèi)改變相位的電流和電壓波形的例子，還顯示了典型功率或能量監(jiān)視 IC 以及 LTC2947 是怎樣以不同的方式計(jì)算功率的。在典型功率或能量監(jiān)視 IC 中，功率是由平均電流乘以平均電壓得出的。在 LTC2947 中，功率是通過采樣 (在這個(gè)例子中，使用了兩個(gè)采樣) 相乘之后再平均得出的。LTC2947 計(jì)算出的 0.218W 功率更接近實(shí)際功率，而典型功率或能量監(jiān)視 IC 得出的 0.234W 功率有 7.3% 的誤差。LTC2947 避免了這種誤差，并在信號(hào)直至50kHz 時(shí)都保持準(zhǔn)確。

圖 4：典型功率計(jì)算與 LTC2947 功率計(jì)算舉例

由于電荷是隨著時(shí)間推移所消耗的電流量，而能量則是隨著時(shí)間推移產(chǎn)生的用電量，因此 LTC2947 對(duì)電流和功率進(jìn)行時(shí)間積分，以計(jì)算流至負(fù)載或從負(fù)載流出的電荷和能量。另外，該器件還記錄用于積分運(yùn)算的總累積時(shí)間，這里，積分時(shí)基可以由 1% 準(zhǔn)確度的內(nèi)部時(shí)鐘或一個(gè) 100kHz 至 25MHz 的外部時(shí)基提供。在電荷僅僅是準(zhǔn)確地確定電池充電狀態(tài) (SOC) 的諸多前提條件之一的電池應(yīng)用中，電荷數(shù)據(jù)會(huì)特別有用。此外，能量數(shù)據(jù)在日常應(yīng)用中還被證明是更加常用的，因?yàn)樗蓪?shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)加載，而不是依賴靜態(tài)功率讀數(shù)以執(zhí)行操作。

>>>>數(shù)字功能的便利性

LTC2947 提供眾多便利的數(shù)字功能，可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。最明顯的數(shù)字功能是集成了乘法器和累加器，從而為用戶提供了 24 位功率以及 48 位能量和電荷數(shù)據(jù)，減輕了大量輪詢電壓和電流數(shù)據(jù)并執(zhí)行額外計(jì)算的負(fù)擔(dān)。單獨(dú)的 1.8V 至 5.5V 數(shù)字電源使用戶能夠以不同于所監(jiān)視電源的電壓運(yùn)行邏輯電平。

LTC2947 針對(duì)電流、電壓、功率和溫度提供最小值和最大值寄存器，因此無需軟件連續(xù)輪詢，使總線和主機(jī)有時(shí)間執(zhí)行其他任務(wù)。除了檢測(cè)和存儲(chǔ)最小 / 最大值，LTC2947 還提供門限寄存器，可用來在任何門限被超過時(shí)發(fā)布警報(bào)，因此也無需微處理器不斷輪詢 LTC2947 并分析數(shù)據(jù)。在提供了規(guī)定量的能量或電荷之后，或者當(dāng)超過了預(yù)設(shè)定的時(shí)間后，LTC2947 還可配置為產(chǎn)生一個(gè)溢出警報(bào)。就能量監(jiān)視器而言，警報(bào)響應(yīng)可能與最小值和最大值寄存器一樣有用，因此該器件提供了單獨(dú)的警報(bào)寄存器，允許用戶按照 SMBus 警報(bào)響應(yīng)協(xié)議，選擇針對(duì)哪個(gè)參數(shù)發(fā)出警報(bào)響應(yīng)，這時(shí)廣播警報(bào)響應(yīng)地址 (Alert Response Address，簡(jiǎn)稱 ARA)，同時(shí) / ALERT 引腳被拉低，以通知主機(jī)發(fā)生了警報(bào)事件。

用戶可以用引腳配置 LTC2947，以支持標(biāo)準(zhǔn) SPI 或 I²C 接口，與外部世界通信。有 6 個(gè) I²C 器件地址可用，因此可以非常方便地將多個(gè) LTC2947 設(shè)計(jì)到同一個(gè)系統(tǒng)中。阻塞總線復(fù)位定時(shí)器使內(nèi)部 I²C 狀態(tài)機(jī)復(fù)位，以在無論什么原因而使 I²C 信號(hào)保持低電平超過 50ms (阻塞總線情況) 時(shí)，允許恢復(fù)正常通信。這種廣受歡迎的阻塞總線保護(hù)功能可防止主機(jī)需要手工排除總線被固定在低電平上的故障，這種故障可能導(dǎo)致破壞性、昂貴和耗時(shí)的系統(tǒng)復(fù)位問題。LTC2947 還提供分割的 I²C 數(shù)據(jù)線，因此無需使用 I²C 分配器或組合器實(shí)現(xiàn)雙向傳輸以及跨隔離邊界接收數(shù)據(jù)，這樣就非常方便了。

LTC2947 是一款便利的電路板級(jí)能量監(jiān)視器，集成了一個(gè) 300μ? 檢測(cè)電阻器，消除了往往在測(cè)量大電流時(shí)出現(xiàn)的常見檢測(cè)電阻器挑戰(zhàn)。無論電流大小，3 個(gè) ADC 都獨(dú)特地設(shè)計(jì)以為用戶提供高度準(zhǔn)確的電流、電壓、功率、能量、電荷、溫度和時(shí)間讀數(shù)。-30A 至 30A 電流范圍和 0V 至 15V 電壓范圍允許 LTC2947 可采用在多種應(yīng)用中，包括存在雙向電流的應(yīng)用。LTC2947提供乘法器、累加器、最小 / 最大值寄存器、可配置警報(bào)和功能非常強(qiáng)大的 SPI 或 I²C 接口，但是其模擬功能之強(qiáng)與其大量節(jié)省資源的數(shù)字功能不相上下。LTC2947 僅占用 24mm²電路板面積，是凌力爾特功率監(jiān)視產(chǎn)品線中迄今為止最切合實(shí)際的器件。