電路板級(jí)設(shè)計(jì)人員的任務(wù)是賦予電路板以生命，監(jiān)視其健康狀況，調(diào)整設(shè)定，運(yùn)行診斷，離線進(jìn)行檢查，在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)排除故障，以及在無(wú)事故的情況下有序地關(guān)斷複雜的電路板。在電源設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的世界裡，電源管理可能不僅僅是一種需要，更是一項(xiàng)硬性要求。電源系統(tǒng)管理器聚合了多種功能，例如上電時(shí)序管理、故障檢測(cè)、餘裕測(cè)試、協(xié)調(diào)關(guān)斷、量測(cè)電壓、量測(cè)電流以及收集資料進(jìn)行分析。使用 LTC297x 元件量測(cè)電源電流是本文的重點(diǎn)[1]。

對(duì)於為FPGA、CPU、光收發(fā)器等高價(jià)值元件供電的電源，量測(cè)其從電源軌擷取的電流可能很重要。對(duì)於這些關(guān)鍵電源軌，電路板設(shè)計(jì)人員可以透過(guò)此資料深入瞭解其性能。當(dāng)電流資訊被量測(cè)到，且電流值為數(shù)位格式，那麼元件就可以計(jì)算功率和電能，系統(tǒng)主機(jī)也可以執(zhí)行獨(dú)特的計(jì)算、從資料中分析趨勢(shì)、安排任務(wù)等。

目前已有許多圍繞電流感測(cè)主題的技術(shù)文章和應(yīng)用筆記問(wèn)世，但未見(jiàn)到專門(mén)針對(duì)DPSM的。本文涵蓋了類比和數(shù)位方面，並描述用於量測(cè)低壓、高壓和負(fù)電源軌的各種支援電路。

LTC297x DPSM系列

本文的重點(diǎn)是內(nèi)建電流量測(cè)功能的電源系統(tǒng)管理器。表1說(shuō)明了這些元件之間的差異。

LTC2977/LTC2979/LTC2980/LTM2987 可配置用來(lái)監(jiān)視電流，但存在一些限制。只有奇數(shù)通道支援電流量測(cè)，並且量測(cè)值以未縮放的單位（V）返回。本文重點(diǎn)介紹 LTC2971/LTC2972/LTC2974/LTC2975 元件，它們能夠量測(cè)輸出電流，並允許系統(tǒng)?軟體利用READ_IOUT命令回讀以安培（A）為單位的值。

註：本表格中的 LTC297x 指 LTC2971、LTC2972、LTC2974、LTC2975、LTC2977、LTC2979、LTC2980 和 LTM2987，未包括 LTC2970。

PSM基礎(chǔ)

電源系統(tǒng)管理器提供關(guān)於電源的關(guān)鍵電壓和電流讀數(shù)的數(shù)位視圖。這是該產(chǎn)品系列的特色：系統(tǒng)主機(jī)或LTpowerPlay可以支援電路板初始啟動(dòng)、偵錯(cuò)、驗(yàn)證或收集基線資料，或者尋找趨勢(shì)。雖然一些電源通道不需要精準(zhǔn)的電流讀數(shù)，但許多關(guān)鍵的輸出通道需要高度精準(zhǔn)的電流量測(cè)。

本文介紹各種電流感測(cè)選項(xiàng)，包括成本、複雜性和精度之間的權(quán)衡。

圖1 : LTpowerPlay 中的 READ_IOUT 遙測(cè)曲線

電流感測(cè)選項(xiàng)

LTC2971?LTC2972?LTC2974?LTC2975管理器能夠精準(zhǔn)量測(cè)輸出電流。應(yīng)盡可能使用這些元件，因?yàn)樗鼈兙哂袑Ｓ玫碾娏鞲袦y(cè)接腳和PMBus命令，可提供以安培為單位的遙測(cè)值。

圖2 : 使用串聯(lián)分流器進(jìn)行電流感測(cè)

例如，將I_SENSE線連接到分流器，配置幾個(gè)暫存器，剩下的工作由晶片完成。晶片會(huì)將測(cè)得的電壓轉(zhuǎn)換為電流值。LTpowerPlay將電流即時(shí)顯示為數(shù)值和遙測(cè)曲線。

圖3 : 用於輸出電流量測(cè)的 PMBus 暫存器設(shè)定

也可以使用LTC2977?LTC2979?LTC2980?LTM2987來(lái)量測(cè)輸出電流，但是，READ_IOUT命令返回的是電壓，必須由系統(tǒng)主機(jī)或LTpowerPlay將其轉(zhuǎn)換為安培。執(zhí)行中，這表示韌體（而不是晶片）必須儲(chǔ)存串聯(lián)分流器的值。

串聯(lián)分流電阻並非感測(cè)電流的唯一方法。表2總結(jié)了DPSM系列可用的電流感測(cè)選項(xiàng)及其權(quán)衡。精度、成本、電路板空間和其他因素也需要考慮。

分流電阻感測(cè)

最常見(jiàn)的感測(cè)方法是使用分流電阻，有時(shí)也稱為感流電阻。無(wú)論DC-DC轉(zhuǎn)換器是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器還是線性穩(wěn)壓器，分流電阻都與輸出串聯(lián)?；仞侂娮璺謮浩鬟B接到輸出節(jié)點(diǎn)，使得分流器位於回饋迴路內(nèi)，這樣當(dāng)施加負(fù)載電流時(shí)，穩(wěn)壓器就能補(bǔ)償分流電阻的IR壓降，從而明顯提高負(fù)載調(diào)整率。

圖4 : 反饋迴路內(nèi)的感測(cè)電阻

用於將電壓轉(zhuǎn)換為電流的PMBus命令稱為IOUT_CAL_GAIN。這是分流電阻的標(biāo)稱電阻。晶片透過(guò)I_SENSE接腳量測(cè)分流電阻上的小電壓降，在內(nèi)部執(zhí)行轉(zhuǎn)換，並使用READ_IOUT命令返回輸出電流。晶片感測(cè)到的實(shí)際電壓可透過(guò)MFR_IOUT_SENSE_VOLTAGE命令獲得。

使用阻性分流器時(shí)，將MFR_IOUT_CAL_GAIN_TC值設(shè)定為製造商的規(guī)格以補(bǔ)償溫度變化。通常，大於10 mΩ的分流器具有較低的溫度係數(shù)：<100 ppm?°C。

規(guī)格中列出了I_SENSE接腳上產(chǎn)生的最大差分感測(cè)電壓。大多數(shù)LTC297x元件的差分電壓以+/-170 mV為限，這為大多數(shù)應(yīng)用提供了足夠的範(fàn)圍。最大成測(cè)電壓計(jì)算如下：V_SENSE= R_SNS × I_{OUT（MAX）SENSE} 。通常，首先確定最大感測(cè)電壓，R_SNS電流感測(cè)電阻計(jì)算如下：R_SNS = V_SENSE ? I_OUT（MAX）。選擇的最大感測(cè)電壓應(yīng)是一個(gè)足夠大的訊號(hào)，但又不會(huì)在輸出路徑中造成功耗問(wèn)題或IR壓降。50 mV至80 mV是一個(gè)很好的最大感測(cè)電壓。選擇電流感測(cè)電阻的物理尺寸，其功耗額定值應(yīng)大於感測(cè)電阻的計(jì)算功耗 [2]。

一種相關(guān)方法是增加一個(gè)以地為基準(zhǔn)的電流感測(cè)放大器（CSA），其提供單端輸出，該輸出被饋送到管理器的電流感測(cè)接腳。這種方法通常用於對(duì)高於大多數(shù)LTC297x管理器的6 V限值的電壓軌進(jìn)行位準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。CSA應(yīng)具有良好的高端共模性能。通常從被感測(cè)的電壓軌和GND為此類元件供電。後續(xù)文章將會(huì)詳細(xì)介紹這種方法。

圖5 : 用於更高電壓軌的電流感測(cè)放大器

ADI提供了許多易於使用且小尺寸的非PSM μModule元件。PSM管理器是很好的配套元件，可控制上電時(shí)序並進(jìn)行監(jiān)控。大多數(shù)μModule元件都有內(nèi)建電感，但有些還整合了上方回饋電阻，因此無(wú)法在回饋迴路內(nèi)增加外部分流電阻。應(yīng)當(dāng)選擇允許使用外部上方回饋電阻以獲得最高電壓精度的μModule元件。

電感DCR感測(cè)

DCR感測(cè)是一種透過(guò)降壓穩(wěn)壓器的輸出電感感測(cè)電流的方法。電感可以運(yùn)用理想電感和一個(gè)稱為DCR的串聯(lián)電阻來(lái)建模（圖6）。這通常是高電流（>20 A）電源軌的首選方法。增加的阻性分流器是一個(gè)額外的元件，會(huì)消耗功率並產(chǎn)生熱量。

要在電感上進(jìn)行感測(cè)，必須能夠接觸到電感的兩端，並且必須在感測(cè)點(diǎn)和LTC297x感測(cè)接腳之間插入一個(gè)濾波器網(wǎng)路。濾波器網(wǎng)路是一個(gè)兩級(jí)差分RC低通濾波器。為了方便和減小尺寸，可以使用4元件電阻陣列。電阻值的選擇應(yīng)使IR壓降足夠小，以防止LTC297x輸入電流造成誤差，同時(shí)又足夠大，以使電容值小於1 μF。

LTC2971?LTC2972?LTC2974?LTC2975資料手冊(cè)提供了關(guān)於選擇RC值的指南。

圖6 : 使用 2 極點(diǎn)低通濾波器的 DCR 電感感測(cè)

DCR感測(cè)可實(shí)現(xiàn)電流的無(wú)損量測(cè)，但由於電感繞組電阻或DCR的差異，精度會(huì)受到影響。電感DCR規(guī)格高達(dá)+/-10%或只有一個(gè)最大值的情況並不少見(jiàn)。實(shí)際的DCR值會(huì)因電感和批次而異。

另一種濾波方案僅使用兩個(gè)電阻和兩個(gè)電容，因而元件數(shù)量從八個(gè)減少到四個(gè)，但濾波器的性能高度不如圖7所示。

圖7 : 使用簡(jiǎn)化低通濾波器的 DCR電感感測(cè)

PMBus配置

要利用PMBus命令配置LTC297x，可使用IOUT_CAL_GAIN命令設(shè)定分流電阻或電感DCR的標(biāo)稱值。對(duì)於銅線纏繞的電感，DCR會(huì)隨著電感溫度升高而增加，這會(huì)在READ_IOUT讀數(shù)中引入誤差。使用MFR_IOUT_CAL_GAIN_TC命令設(shè)定銅的溫度係數(shù)可補(bǔ)償此誤差。在產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)中，該值的預(yù)設(shè)值為3900 ppm?°C。使用者可能需要調(diào)整該值以匹配電感，因?yàn)楫?dāng)導(dǎo)線是合金而非純銅時(shí)，此參數(shù)可能會(huì)大幅改變。MFR_IOUT_CAL_GAIN_THETA表示熱時(shí)間常數(shù)，可對(duì)其進(jìn)行設(shè)定。

必須將溫度感測(cè)器（二極體連接的雙極性電晶體）靠近電感放置，以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的電流溫度補(bǔ)償。LTC2971?LTC2972?LTC2974?LTC2975元件具有連接到感測(cè)器的TSENSE接腳。

IMON

IMON接腳在許多穩(wěn)壓器（包括開(kāi)關(guān)和線性）中越來(lái)越受歡迎。這些穩(wěn)壓器有一個(gè)電流感測(cè)輸出接腳，藉此可監(jiān)視穩(wěn)壓器的負(fù)載電流。IMON方法的優(yōu)點(diǎn)在於它是無(wú)損的，並且無(wú)需擔(dān)心共模電壓，因?yàn)長(zhǎng)TC297x ISENSE接腳不連接到VOUT。IMON接腳是單端輸出訊號(hào)，代表輸出電流的一小部分，它可以是電壓輸出或電流輸出，需要一個(gè)電阻連接到GND。電流輸出IMON接腳允許用戶選擇電阻值，從而設(shè)定最大滿載電壓。

單端電壓可以是比電流分流器或電感DCR兩端產(chǎn)生的電壓大很多的訊號(hào)。LTC2972和LTC2971元件甚至有一個(gè)配置位元來(lái)支援更大的訊號(hào)位準(zhǔn)，其被稱為imon_sense位元。該位元位於MFR_CONFIG命令中，是一個(gè)分頁(yè)命令。

圖8 : MFR_CONFIG 暫存器中的 IMON 位元

選擇的IMON電阻值應(yīng)使得在所有負(fù)載條件下都能提供寬動(dòng)態(tài)範(fàn)圍。一般情況下，IMON精度在中負(fù)載和重負(fù)載電流條件下較好，但在輕負(fù)載下會(huì)下降。

圖9 : PSM利用 IMON量測(cè)電流

一些穩(wěn)壓器將限流功能與IMON接腳結(jié)合，該接腳可稱為IMON ? ILIM。請(qǐng)注意，所選的IMON電阻值不應(yīng)使得IMON電壓在滿載時(shí)會(huì)啟動(dòng)限流電路。示例包括線性穩(wěn)壓器，例如 LT3072 和 LT3086。其他例子有 LT3094 和 LT3045等，一個(gè)ILIM接腳產(chǎn)生限流作用，可用於輸出電流監(jiān)視器。對(duì)於某些開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，該接腳可稱為IMON，內(nèi)建的限流功能可能並不明顯。示例包括 LT8652S 和 LT8708。限流電路具有折返功能，不會(huì)關(guān)閉輸出。若要關(guān)閉輸出， LTC298x 會(huì)檢測(cè)過(guò)流狀況並將VOUT_EN拉低，從而禁用穩(wěn)壓器輸出。

輸入電流感測(cè)

一個(gè)電源系統(tǒng)可能有一個(gè)輸入電源，其為多個(gè)下游穩(wěn)壓器供電。輸入電源電流可由LTC2971、LTC2972或LTC2975進(jìn)行量測(cè)。使用LTC2971 ? LTC2972 ? LTC2975量測(cè)IIN非常簡(jiǎn)單，因?yàn)檫@些元件原本就有將接腳連接到V_IN電流路徑中的感測(cè)電阻R_SNS的能力。IIN_SNS接腳的直接接線以V_IN電源為限，對(duì)於LTC2972?LTC2975而言，該值<15V；對(duì)於LTC2971而言，該值<60V。

圖10 : VIN 電流和電壓感測(cè)

無(wú)論是量測(cè)輸出電流還是輸入電源電流，都有一個(gè)用戶可編程PMBus暫存器可將感測(cè)電壓轉(zhuǎn)換為電流。量測(cè)輸入電源電流時(shí)，使用PMBus暫存器MFR_IIN_CAL_GAIN，然後便可從READ_IIN暫存器讀取輸入電源電流。

圖11 : 用於 VIN 電流量測(cè)的 PMBus 暫存器

我們不僅可以量測(cè)電流，還可以量測(cè)電壓。PMBus命令分別為READ_IIN和READ_VIN。利用電流、電壓和時(shí)基，LTC2971 ? LTC2972 ? LTC2975還能計(jì)算輸送給系統(tǒng)的功率和電能。

LTC2971能夠感測(cè)60V電源軌上的輸入電源電流。IIN_SNS接腳可以直接連到電源輸入上的感測(cè)電阻。對(duì)於24V以上的電源電壓，建議使用降壓穩(wěn)壓器通過(guò)V_PWR接腳為L(zhǎng)TC2971供電，如此可節(jié)省功率並避免LTC2971自發(fā)熱。由於VPWR × I_PWR會(huì)產(chǎn)生功耗，可能導(dǎo)致晶片溫度升高到預(yù)期以上。 ADP2360 具有一個(gè)固定5 V選項(xiàng)，可為降壓穩(wěn)壓器提供低成本、小尺寸的解決方案。

圖12 : 使用LTC2971感測(cè)高壓VIN電流和電壓

電能計(jì)量

監(jiān)視電能使用可能很重要。無(wú)論輸入電源是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器、太陽(yáng)能電池板輸出還是電池電源，瞭解系統(tǒng)消耗的總電能可能很有用。LTC2971 ? LTC2972 ? LTC2975能夠感測(cè)輸入電源的高端電流。

此特性允許管理器量測(cè)輸入電源電流。LTpowerPlay對(duì)於探索與輸入電源電流和電能讀數(shù)相關(guān)的特性非常有用。選擇READ_EIN命令後，遙測(cè)視窗就會(huì)顯示電能累計(jì)結(jié)果的即時(shí)曲線。

圖13 : LTpowerPlay 繪製的即時(shí)電能圖

電錶還會(huì)量測(cè)輸入電源電壓，因此也能夠報(bào)告輸入功率。由於電能是功率和時(shí)間的乘積，因此累計(jì)電能是根據(jù)管理器的內(nèi)部時(shí)基提供的。GUI右上角顯示的儀錶提供了更多資訊。指標(biāo)是輸入功率（以瓦特為單位）的即時(shí)指示器，較小的五個(gè)刻度盤(pán)顯示總累計(jì)電能，類似於家用電錶。為方便起見(jiàn)，還提供了數(shù)位讀數(shù)。

圖14 : LTpowerPlay 中的電錶

LTpowerPlay提供一個(gè)簡(jiǎn)單易懂的介面，其中彙集了輸入和輸出電流、電壓、功率、電能讀數(shù)。

輸入電流、輸入電壓、輸入功率和輸入電能可以表格形式查看，這些值顯示在GUI的遙測(cè)部分。MFR_EIN暫存器保存累計(jì)電能值（以毫焦耳為單位）。還有一個(gè)電能累計(jì)器處?kù)痘顒?dòng)狀態(tài)的總時(shí)間，顯示為MFR_EIN_TIME暫存器。當(dāng)單位從mJ變?yōu)镴再到kJ時(shí)，GUI會(huì)自動(dòng)更新所顯示的SI首碼。

圖15 : 與輸入電源電壓、電流、功率和電能相關(guān)的遙測(cè)視圖

表3總結(jié)了可以從LTC297x回讀的所有遙測(cè)資料。暫存器是I2C ? PMBus字讀取，但MFR_EIN暫存器除外，它是區(qū)塊讀取。

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

2. 區(qū)塊讀取，包括以mJ為單位的電能值和以ms為單位的經(jīng)過(guò)時(shí)間。

（本文作者M(jìn)ichael Peters為ADI 資深應(yīng)用工程師）