电流检测有“神器”!

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电路板级设计人员的任务是赋予电路板以生命,监视其健康状况,调整设置,运行诊断,脱机进行检查,在出现问题时排除故障,以及在无事故的情况下有序地关断复杂的电路板。在电源设计和开发的世界里,电源管理可能不仅仅是一种需要,更是一项硬性要求。电源系统管理器聚合了多种功能,例如上电时序管理、故障检测、裕量测试、协调关断、测量电压、测量电流以及收集数据进行分析。使用 LTC297x 器件测量电源电流是本文的重点。


对于为FPGA、CPU、光收发器等高价值器件供电的电源,测量其从电源轨汲取的电流可能很重要。对于这些关键电源轨,电路板设计人员可以通过此数据深入了解其性能。当电流信息被测量到,且电流值为数字格式,那么器件就可以计算功率和电能,系统主机也可以执行独特的计算、从数据中分析趋势、安排任务等。


围绕电流检测这一主题已有许多技术文章和应用笔记问世,但没有一篇是专门针对DPSM的。本文涵盖了模拟和数字方面,并描述了用于测量低压、高压和负电源轨的各种支持电路。

LTC297x DPSM系列

本文的重点是内置电流测量功能的电源系统管理器。表1说明了这些器件之间的差异。LTC2977/LTC2979/LTC2980/LTM2987 可配置用来监视电流,但存在一些限制。只有奇数通道支持电流测量,并且测量值以未缩放的单位(V)返回。LTC2971/LTC2972/LTC2974/LTC2975 器件能够测量输出电流,并允许系统?软件利用READ_IOUT命令回读以安培(A)为单位的值。


表1. LTC297x DPSM器件系列

PSM基础
电源系统管理器提供关于电源的关键电压和电流读数的数字视图。这是该产品系列的一个强大特性:系统主机或LTpowerPlay可以支持电路板初始启动、调试、验证或收集基线数据,或者寻找趋势。虽然一些电源通道不需要精确的电流读数,但许多关键的输出通道需要高度精确的电流测量。


图 1. LTpowerPlay 中的 READ_IOUT 遥测曲线

电流检测选项
LTC2971/LTC2972/LTC2974/LTC2975管理器能够精确测量输出电流。应尽可能使用这些器件,因为它们具有专用的电流检测引脚和PMBus命令,可提供以安培为单位的遥测值。


图 2. 使用串联分流器进行电流检测


例如,将ISENSE线连接到分流器,配置几个寄存器,剩下的工作由芯片完成。芯片会将测得的电压转换为电流值。LTpowerPlay将电流实时显示为数值和遥测曲线。


图 3. 用于输出电流测量的 PMBus 寄存器设置


也可以使用LTC2977/LTC2979/LTC2980/LTM2987来测量输出电流,但是,READ_IOUT命令返回的是电压,必须由系统主机或LTpowerPlay将其转换为安培。实践中,这意味着固件(而不是芯片)必须存储串联分流器的值。


串联分流电阻并非检测电流的唯一方法。表2总结了DPSM系列可用的电流检测选项及其权衡。精度、成本、电路板空间和其他因素也需要考虑。


表2. 电流检测选项总结

分流电阻检测

最常见的检测方法是使用分流电阻,有时也称为检流电阻。无论DC-DC转换器是开关稳压器还是线性稳压器,分流电阻都与输出串联。反馈电阻分压器连接到输出节点,使得分流器位于反馈环路内,这样当施加负载电流时,稳压器就能补偿分流电阻的IR压降,从而显著提高负载调整率。


图 4. 反馈回路内的检测电阻


用于将电压转换为电流的PMBus命令称为IOUT_CAL_GAIN。这是分流电阻的标称电阻。芯片通过ISENSE引脚测量分流电阻上的小电压降,在内部执行转换,并使用READ_IOUT命令返回输出电流。芯片检测到的实际电压可通过MFR_IOUT_SENSE_VOLTAGE命令获得。芯片使用以下公式计算输出电流:



使用阻性分流器时,将MFR_IOUT_CAL_GAIN_TC值设置为制造商的规格以补偿温度变化。通常,大于10 mΩ的分流器具有较低的温度系数:<100 ppm?°C。


数据手册规格中列出了ISENSE引脚上产生的最大差分检测电压。大多数LTC297x器件的差分电压以±170 mV为限,这为大多数应用提供了足够的范围。最大检测电压计算如下:VSENSE = RSNS × IOUT(MAX) 。通常,首先确定最大检测电压,RSNS电流检测电阻计算如下:RSNS = VSENSE ? IOUT(MAX)。选择的最大检测电压应是一个足够大的信号,但又不会在输出路径中造成功耗问题或IR压降。50 mV至80 mV是一个很好的最大检测电压。选择电流检测电阻的物理尺寸,其功耗额定值应大于检测电阻的计算功耗:PD = RSNS × (IOUT(MAX))2


一种相关方法是增加一个以地为基准的电流检测放大器(CSA),其提供单端输出,该输出被馈送到管理器的电流检测引脚。这种方法通常用于对高于大多数LTC297x管理器的6 V限值的电压轨进行电平转换。CSA应具有良好的高端共模性能。通常从被检测的电压轨和GND为此类器件供电。


图 5. 用于更高电压轨的电流检测放大器


ADI公司提供了许多易于使用且小尺寸的非PSM μModule?器件。PSM管理器是很好的配套器件,可控制上电时序并实施监控。大多数μModule器件都有内置电感,但有些还集成了上方反馈电阻,因此无法在反馈环路内添加外部分流电阻。应当选择允许使用外部上方反馈电阻以获得最高电压精度的μModule器件。

电感DCR检测
DCR检测是一种通过降压稳压器的输出电感检测电流的方法。电感可以用理想电感和一个称为DCR的串联电阻来建模(见图6)。这通常是高电流(>20 A)电源轨的首选方法。增加的阻性分流器是一个额外的元件,会消耗功率并产生热量。


要在电感上进行检测,必须能够接触到电感的两端,并且必须在检测点和LTC297x检测引脚之间插入一个滤波器网络。滤波器网络是一个两级差分RC低通滤波器。为了方便和减小尺寸,可以使用4元件电阻阵列。电阻值的选择应使IR压降足够小,以防止LTC297x输入电流造成误差,同时又足够大,以使电容值小于1 μF。


LTC2971/LTC2972/LTC2974/LTC2975数据手册提供了关于选择RC值的指南。


示例:

假设L = 2.2 μH,DCR = 10 mΩ, fSW = 500 kHz

令Rcm1 = Rcm2 = 1 kΩ



图 6. 使用 2 极点低通滤波器的 DCR 电感检测


DCR检测可实现电流的无损测量,但由于电感绕组电阻或DCR的差异,精度会受到影响。电感DCR规格高达±10%或只有一个最大值的情况并不少见。实际的DCR值会因电感和批次而异。

另一种滤波方案仅使用两个电阻和两个电容,因而元件数量从八个减少到四个,但滤波器的性能不如图7所示的好。


图 7. 使用简化低通滤波器的 DCR 电感检测

PMBus配置
要利用PMBus命令配置LTC297x,可使用IOUT_CAL_GAIN命令设置分流电阻或电感DCR的标称值。对于铜线缠绕的电感,DCR会随着电感温度升高而增加,这会在READ_IOUT读数中引入误差。使用MFR_IOUT_CAL_GAIN_TC命令设置铜的温度系数可补偿此误差。在数据手册中,该值的默认值为3900 ppm/°C。用户可能需要调整该值以匹配电感,因为当导线是合金而非纯铜时,此参数可能会大幅改变。MFR_IOUT_CAL_GAIN_THETA表示热时间常数,可对其进行设置。LTC297x数据手册详细介绍了这些内容。

必须将温度传感器(二极管连接的双极性晶体管)靠近电感放置,以实现更准确的电流温度补偿。LTC2971/LTC2972/LTC2974/LTC2975器件具有连接到传感器的TSENSE引脚。
IMON
IMON引脚在许多稳压器(包括开关和线性)中越来越受欢迎。这些稳压器有一个电流检测输出引脚,藉此可监视稳压器的负载电流。IMON方法的优点在于它是无损的,并且无需担心共模电压,因为LTC297x ISENSE引脚不连接到VOUTIMON引脚是单端输出信号,代表输出电流的一小部分,它可以是电压输出或电流输出,需要一个电阻连接到GND。电流输出IMON引脚允许用户选择电阻值,从而设置最大满载电压。


单端电压可以是比电流分流器或电感DCR两端产生的电压大得多的信号。LTC2972和LTC2971器件甚至有一个配置位来支持更大的信号电平,它被称为imon_sense位。该位位于MFR_CONFIG命令中,是一个分页命令。


图 8. MFR_CONFIG 寄存器中的 IMON 位


选择的IMON电阻值应使得在所有负载条件下都能提供宽动态范围。一般情况下,IMON精度在中负载和重负载电流条件下较好,但在轻负载下会下降。有关更多详细信息,请查阅稳压器的数据手册规格。


图 9. PSM 利用 IMON 测量电流


一些稳压器将限流功能与IMON引脚结合在一起,该引脚可称为IMON/ILIM。请注意,所选的IMON电阻值不应使得IMON电压在满载时会激活限流电路。示例包括线性稳压器,例如 LT3072 和 LT3086。其他例子有 LT3094 和 LT3045等,一个ILIM引脚起到限流作用,可用作输出电流监视器。对于某些开关稳压器,该引脚可称为IMON,内置的限流功能可能并不明显。示例包括 LT8652S 和 LT8708。限流电路具有折返功能,不会关闭输出。若要关闭输出, LTC298x 会检测过流状况并将VOUT_EN拉低,从而禁用稳压器输出。

输入电流检测

一个电源系统可能有一个输入电源,其为多个下游稳压器供电。输入电源电流可由LTC2971、LTC2972或LTC2975进行测量。使用LTC2971/LTC2972/LTC2975测量IIN非常简单,因为这些器件原本就有将引脚连接到VIN电流路径中的检测电阻RSNS的能力。IIN_SNS引脚的直接接线以VIN电源为限,对于LTC2972/LTC2975而言,该值<15V;对于LTC2971而言,该值<60V。


图 10. VIN 电流和电压检测


无论是测量输出电流还是输入电源电流,都有一个用户可编程PMBus寄存器可将检测电压转换为电流。测量输入电源电流时,使用PMBus寄存器MFR_IIN_CAL_GAIN,然后便可从READ_IIN寄存器读取输入电源电流。


图 11. 用于 VIN 电流测量的 PMBus 寄存器


我们不仅可以测量电流,还可以测量电压。PMBus命令分别为READ_IIN和READ_VIN。利用电流、电压和时基,LTC2971/LTC2972/LTC2975还能计算输送给系统的功率和电能。蓄能器将在下一节中描述。


LTC2971能够检测60V电源轨上的输入电源电流。IIN_SNS引脚可以直接连到电源输入上的检测电阻。对于24V以上的电源电压,建议使用降压稳压器通过VPWR引脚为LTC2971供电,这样可节省功率并避免LTC2971自发热。由于VPWR × IPWR会产生功耗,可能导致芯片温度升高到预期以上。ADP2360 具有一个固定5 V选项,可为降压稳压器提供低成本、小尺寸的解决方案。


图 12. 使用 LTC2971 检测高压 VIN 电流和电压

电能计量

监视电能使用可能很重要。无论输入电源是开关稳压器、太阳能电池板输出还是电池电源,了解系统消耗的总电能可能很有用。LTC2971/LTC2972/LTC2975能够检测输入电源的高端电流。此特性允许管理器测量输入电源电流。LTpowerPlay对于探索与输入电源电流和电能读数相关的特性非常有用。选择READ_EIN命令后,遥测窗口就会显示电能累计结果的实时曲线。

图 13. LTpowerPlay 绘制的实时电能图


电表还会测量输入电源电压,因此也能够报告输入功率。由于电能是功率和时间的乘积,因此累计电能是根据管理器的内部时基提供的。GUI右上角显示的仪表提供了更多信息。指针是输入功率(以瓦特为单位)的实时指示器,较小的五个刻度盘显示总累计电能,类似于家用电表。为方便起见,还提供了数字读数。


图 14. LTpowerPlay 中的电表


LTpowerPlay提供一个简单易懂的界面,其中汇集了输入和输出电流、电压、功率、电能读数。


输入电流、输入电压、输入功率和输入电能可以表格形式查看,这些值显示在GUI的遥测部分。MFR_EIN寄存器保存累计电能值(以毫焦耳为单位)。还有一个电能累计器处于活动状态的总时间,显示为MFR_EIN_TIME寄存器。当单位从mJ变为J再到kJ时,GUI会自动更新所显示的SI前缀。


图 15. 与输入电源电压、电流、功率和电能相关的遥测视图


表3总结了可以从LTC297x回读的所有遥测数据。寄存器是I2C/PMBus字读取,但MFR_EIN寄存器除外,它是块读取。


表3. 遥测总结


1. 如果设置了adc_hires位,则READ_VOUT值以mV为单位返回。

2. 块读取,包括以mJ为单位的电能值和以ms为单位的经过时间。


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