如何测量高压或负电源轨上的电流及测量电流的精度考虑因素
本系列文章的第 2 部分介绍如何测量高压或负电源轨上的电流，以及如何为 i 设置配置寄存器星期一传感方法。本文介绍了测量电流的精度考虑因素，并提供了有关使用ltpowerplay对器件进行编程的说明。在第 1 部分中，我们介绍了电流检测的一般概念，包括各种方法和电路拓扑。
超越极限
ltc297x 器件对施加到检测引脚的电压具有限制，两者均为 v意义和我意义.限值为6 v。对于以下大部分内容，我们将讨论ltc297x系列的大部分产品，ltc2971除外，其限制为±60 v。对于大于6 v的电源轨或负电源，必须设计一种间接检测电感或检测电阻两端电压的方法。
电阻分压器
电源电压高于最大额定电压 i意义引脚，人们可能会试图使用两个分压器。这似乎是一个合理的想法，直到你计算出分割“信号”的误差。分压器放置在检测元件的每一侧。“输出”取自每个分压器，并馈入 ltc297x 检测引脚。如果上下电阻比相互匹配，则可实现精确分频高压信号的目标。电源轨电压被分压足以使 ltc297x 输入保持在限值内，并且分压输出产生一个可由 ltc297x 测量的比例电压。但是，所需的电阻容差使得这种方法不切实际。此外，电压分压越多，误差就越大。例如，如果只有一个电阻的误差为0.1%，则结果是固定失调误差。增益误差贡献很小，失调误差占主导地位。
例如，假设您需要测量12 v电源的输出电流。电源支持2 a电流和一个10 mω分流电阻（r社交网络） 放置在输出路径中。分流器将在满载时产生20 mv信号。3分频电路是合适的选择，顶部和底部电阻分别选择为2 kω和1 kω。这放置了 i 的共模电压意义引脚为 4 v。如 ltc297x 器件所示，使用相对较低的值是为了保持较低的源阻抗，以减少分压器的戴维宁等效电阻引起的漏电流引起的误差。
图1.用于电流检测的电阻分压器会产生较大的误差。
假设处于空载状态，所有电阻都是完美的。每个分频器中点将为4.00 v，增量v将为零。因此，ltc297x的read_iout值为0.000 a。但是，如果2 kω元件之一的电阻高0.1%（2002 ω），则δv将为2.665 mv。但请记住，满量程为 20 mv/3 或 6.667 mv，如 i 所示。意义引 脚。2.665 mv读数转换为0.4 a的输出电流。这是预期满量程读数的 40%！如前所述，引入的误差是失调误差，而不是增益误差。尽管如此，这是一个很大的错误。这种方法对电阻容差过于敏感，我们必须寻找另一种解决方案。
高边检测放大器
由于ltc2972/ltc2974/ltc2975对i的电压限制为6 v。意义引脚，这个问题的解决方案是使用高端电流检测放大器（csa）进行电平转换。lt6100 / ltc6101 很常用于固定 / 用户可选增益。精度比分压电阻好得多。
图2.用作电平转换器的电流检测放大器。
以下是相关的方程和条件：
v外csa = i负荷×·社交网络× （r2 / r1）
设置iout_cal_gain = r社交网络× （r2 / r1）
保持 v爱森普1 v。psm 设备的 i意义引脚需要适应这种大的偏移。对于ltc2974/ltc2975，这违反了差分电压，该电压限制为±170 mv。幸运的是，ltc2971和ltc2972具有一个配置位，当设置imon_sense时，将电流检测电路置于允许检测高达6 v的单端电压的模式。
图8.mfr_config imon_sense位。
配置命令必须根据我们选择的硬件进行设置。在本例中，iout_cal_gain应设置为 400 （0.4 v/a）。单位是毫欧。如果没有可能影响read_iout值的温度系数或热时间常数，则其他与电流相关的命令可能具有默认值。mfr_iout_cal_gain_tc、mfr_iout_cal_gain_tau_ inv 和mfr_iout_cal_gain_theta的默认值设置为零。
我星期一lt7101降压型稳压器的引脚就是一个具有电压驱动输出的引脚示例。输出还具有失调电压。也就是说，在空载条件下，i星期一引脚位于0.4 v。起初，这似乎有问题，因为差分电压限值为±170 mv。但是，ltc2972 / ltc2971 psm 器件能够检测这种类型的 i星期一引脚，并允许在 i 上提供更大的差分信号意义引 脚。让我们通过一个真实的例子来工作。
图9.使用 lt7101 i星期一针。
ltc2971 / ltc2972 可通过连接 ltc297x i 连接至 lt7101森森引脚接地并连接 i森塞普引脚到 i星期一针。命令值可以按如下方式计算：
从read_iout方程开始，
重写iout_cal_gain方程求解：
假设 t校正= 1。
lt7101 的产品手册提供了 i星期一1 a 和 0.25 a 负载电流的电压电平分别为 1.21 v 和 0.603 v。因此，iout_cal_gain值为：
iout_cal_offset是：
iout_cal_offset是负值，因为我们需要减小read_iout值。您可能会发现需要更改计算出的寄存器值，以便更好地将测量的负载电流与read_iout读数相关联。这涉及添加校准步骤。强制使用已知负载电流，将read_iout值与预期值进行比较，然后将调整后的值写入iout_cal_gain和/或iout_cal_offset。一般来说，我星期一许多稳压器的精度不如检测电阻的电流测量精确，但校准电流测量将大大提高精度。
准确性
电流测量的精度取决于其各部分的总和。在大多数系统中，精度在负载电流范围的中高端非常重要。有些要求在轻负载条件下具有良好的精度，这意味着传感链中的信号非常小。我们可以将精度部分分为四类：检测元件、电路板布局、放大器和检测测量电路。
在更详细地介绍准确性之前，需要定义术语 tue。总未调整误差或 tue 是每个 ltc297x 数据手册中列出的规格。有用于电压和电流测量的 tue 规格。tue 是 psm 器件内部基准电压源、增益和失调误差（位于 v 路径中的缓冲器和放大器）所贡献的组合误差意义或我意义引脚到芯片的数字部分。tue 是所有过程变化和温度下read_iout或read_vout读数的百分比，是最坏情况下的误差。这消除了从芯片中计算单个贡献者的负担，例如v裁判误差和 adc 误差。外部元件 - csa 和相关电阻器、分流电阻器、电感器 dcr、i星期一当前 - 贡献自己的误差，必须在总体误差预算中加以考虑。
如前所述，最佳精度来自放置在输出路径中的电阻检测元件。r型意义容差通常指定为 1%。这些价格低廉且易于找到。值通常在0.5 mω至数十 mω之间。要确定该值，必须考虑当前感兴趣的范围以及范围两端所需的精度。当电流流过 r 时意义，在元件上产生一个小电压，即 delta v。正是这个信号需要测量并通过欧姆定律转换为电流。人们希望获得足够大的信号，以便在轻负载条件下获得良好的精度;但是，在重负载下会出现较大的ir压降，并可能对电源性能产生负面影响。我们假设稳压器的反馈来自负载本身，检测点连接在负载上。这考虑了输出路径中的任何压降，包括高端和gnd返回路径。r型意义位于稳压器的反馈回路内。包括布局中任何导致 ir 损耗的 pcb 铜。
下面是一个涵盖准确性的示例。假设电源的最大电流为10 a，我们需要低至100 ma的良好精度。满载时，建议将ir压降保持在20 mv，实现的精度为1%（电阻容差）+0.3%（数据手册中的tue）或1.3%，相当于负载电流大于4 a。对于6 v 上的输出电流时，可以使用 csa 单端输出来驱动 v 意义引 脚。可以使用任何通道，adc_hires位应保持其默认设置 0。输出电流测量值从read_vout寄存器读取，必须从伏特转换为安培。重要的是要意识到您在v处具有更大的动态范围意义引脚比i上的170 mv限制意义ltc2974 / ltc2975 的引脚。这允许将csa增益设置得更高，以产生更大的检测电压，因为v。森塞普引脚可驱动至 6 v。要考虑的参数是csa的输入失调电压v操作系统.它是v操作系统乘以设置csa输出误差的增益。如果 v操作系统为85 μv （ltc6101），增益设置为100，输出误差可能高达8.5 mv。v的星期二意义引脚1 v为0.25%。csa增益应设置为低，以最小化输出误差，但又应足够大，以利用v的大信号范围意义针。csa贡献的误差是给定增益设置下的固定mv误差。转换输出电流值中的误差显示在最后一列中。表 8 说明了一个示例。r型意义为 5 mω。
负载电流 检测电压 加航增益 v意义 ltc297x 周二 csa 错误 read_vout错误 转换输出电流
100毫安 500 μv 20 10 mv 25% 17% ±42% ±42毫安
100毫安 500 μv 100 50 mv 5% 17% ±22% ±22毫安
10 安培 50 mv 20 1 v 0.25% 0.17% ±0.42% ±42毫安
10 安培 50 mv 100 5 v 0.25% 0.17% ±0.42% ±42毫安
这表明外部csa为大检测电压提供了相当好的精度，但在低检测电平条件下会引入更多的误差。
通过产生足够的检测电压或信号，可以实现精确的电流测量。来自检测元件的 delta v 需要足够大，以克服芯片和其他来源（如布局）引入的任何噪声和误差。通过首先确定轻负载精度对您的重要性来估计信噪比 （snr）。可以通过考虑产生可接受精度的最低检测电压除以待测量范围内的最低电流值来计算最佳值。
为了达到最高精度，最好创建最大的信号并最大限度地减少组件/布局错误。也就是说，使用大的 r意义值并使用严格公差电阻器。您也可以考虑校准当前的回读值。施加已知的负载电流并观察read_iout值。调整iout_cal_gain值以最大程度地减少回读值中的错误。通过发出store_user_all命令将任何更改的值存储到芯片的eeprom。
分流电阻检测精度
分流电阻法的优点是它比电感dcr法更准确，因为分流电阻值通常精确到1%或更好。与电感dcr相比，温度系数相当低。然而，即使您可以购买非常严格的容差电阻器，这也可能会被布局和焊接问题所覆盖。
分流电阻方法的缺点是，由于ir压降，它是有损耗的。这会产生热量并在输出路径中产生压降。如前所述，通过将检测电阻置于反馈环路内，可以在很大程度上缓解ir压降，从而使稳压器的环路将压降降低到可以忽略不计的水平。
由于 ltc297x 差分输入电流将导致差分误差电压，因此 rcm 电阻器需要具有相同的值。不匹配的 rcm 电阻器仅由于滤波器元件容差而引入误差。通常，将这些电阻值保持在1 kω以下。
图 10.我意义引脚电流。
布局
无论您打算使用分立检测电阻还是电感dcr来测量电流，在高负载条件下，布局都变得很重要。这在焊接连接中最有可能产生ir压降，并且传感连接可能会产生影响。最好避免与焊盘进行的检测连接，该焊盘在感应点之间包括ir压降。如果比较图11中的布局，则显示与焊盘内部连接的示例将很少或没有ir压降，因为焊盘的这些区域很少或没有电流。标记为“公平”的布局由于检测点（焊盘一侧）的位置而受到ir压降的影响，该位置部分位于当前路径中。
图 11.分流电阻器的布局建议。
市场上有 4 端子检测电阻器。它们提供两个用于主电流路径的端子和两个用于开尔文检测连接的端子。对于要求对大于20 a左右的电流具有良好精度的应用，可以使用值低至100 μω的4端子金属合金检测电阻。一些制造商指定高阻值电阻的容差比低阻值电阻更严格，因此您在这里有一个基本的权衡——在0.1%时使用1 mω，而在0.5%时使用400 μω。
图 12.一个 4 端子分流电阻器。
请参考“通过改进低值分流电阻器的焊盘布局来优化大电流检测精度”，了解有关布置检测电阻时的精度的更多细节。
使用 ltc2977 / ltc2979 / ltc2980 / ltm2987 来测量输出电流
ltc2977 / ltc2979 / ltc2980 / ltm2987 器件测量电流的能力有限。它们可以配置为测量奇数通道上的电流：通道 1、3、5 和 7。要配置电流测量，必须将通道设置为高分辨率模式（mfr_config_ltc2977，bit9）。这允许 v森森引脚连接到高达6 v的共模电压。五世森塞普和 v森森引脚可以连接在电感 （dcr） 或电阻检测 （r社交网络） 元素。
图 13.mfr_config adc_hires位。
偶数通道不支持此功能，v森森引脚（通道 0、2、4 和 6）必须保持在 gnd 的 ±100 mv 以内。
在此模式下，此通道提供的唯一功能是电流的遥测回读。设置adc_hires位将禁用vout_en引脚并禁用所有故障响应。实质上，就 ltc2977 而言，它强制通道进入“关断”状态，并且它仅回读检测元件两端的电压（以 mv 为单位）。
ltc2977 / ltc2979 / ltc2980 / ltm2987 器件没有方便的read_iout寄存器或用于存储 dcr 或 r 的寄存器社交网络价值。相反，您可以使用 read_vout 命令获取原始差分电压读数。系统主机需要根据该读数除以检测电阻值来计算电流。请注意，这些值以 l11 格式给出，而不是 l16 格式。单位为毫伏。如果使用系统主机或 fpga/cpu 读取电流，则必须执行数学运算，将毫伏值转换为以毫安或安培为单位的值。应用笔记an135介绍了将l11十六进制转换为浮点值的示例代码。
图 14.v意义用于差分电流检测的引脚。
ltpowerplay具有一项功能，可以方便地将此mv读数转换为以ma为单位的当前回读值。有一个比例因子可用于在read_vout寄存器中生成调整值。可以通过单击“配置”窗口中的“设置”选项卡来访问此功能。
输入到 vout 显示缩放框中的值应等于 1/r社交网络.如果使用外部 csa，则需要将比例因子设置为 1/（增益加航/r社交网络).有一个“显示单位”字段，可以通过将 v 替换为 a 来将其从伏特更改为安培。这些变化允许读数显示计算出的电流，该电流与基于电路中检测电阻的实际电流一致。例如，如果 r社交网络为 10 mω （0.01 ω），vout 显示缩放为 100。read_vout寄存器现在将报告一个以ma为单位的值，该值反映芯片测量的每个mv的100 ma。在本例中，592 ma负载施加到r的电源轨上。社交网络10 mω，芯片测量值为5.92 mv。注意：设置下的缩放/偏移值不会保存到设备的 nvm 中，但会保存到 .proj 文件中。
图 15.vout 在“设置”选项卡中显示缩放比例。
图 16.read_vout遥测以 ma 为单位显示缩放值和单位。
由于差分电压（vsensepn – vsensemn）限制为±170 mv，因此必须选择检测元件，以使ir压降不超过此限制。这些引脚的共模电压允许高达6 v。例如，如果电流预计在3 a范围内，则50 mω检测电阻为adc提供150 mv电压，并允许偏移至3.4 a。这对于精度非常有用，因为信号很大，但输出路径中的150 mv是相当大的ir压降。这是在电流测量精度和输出中的ir压降之间做出决定时要做出的基本权衡。应始终在负载处关闭反馈回路。这允许稳压器/伺服器调整到适当的输出电压。有关更多详细信息，请参阅 ltc2977 的产品手册。
例如，分配了一个奇数通道来测量输出电流。通道 7 测量 i外通道6，3.0 v电源。
图 17.read_vout转换为ma（频道7）。
当奇数通道配置为adc高分辨率模式时，无法使用vout_en引脚，监控器功能被禁用;因此，不可能快速检测过流情况。但是，如果您使用 csa 并将单端信号输出到 v森塞普针。这专用于一个电压通道来监控csa的输出。传播延迟将由通过 csa 的延迟、psm 设备引入的延迟以及无源组件（即 rc）可能引入的任何延迟的总和决定。psm 延迟取决于配置、故障响应是设置为立即关闭还是去毛刺关闭以及延迟计数设置。
超频/直流故障监控
在为高值负载供电的电源轨上，可能需要保护负载免受过流情况的影响。输出电流监控器内置于 ltc2974 / ltc2975 中。专用硬件允许用户配置通道，以便在监控器检测到过流或欠流情况时关闭。这些器件同时具有电压和电流监控功能，这意味着如果输出电压或输出电流超出用户定义的限值，通道将被关断。电压监控器和电流监控器在内部组合到vout_en逻辑中。本文第 1 部分中的表 1 总结了所有 psm 管理器的此功能。
图 18.我外超频/直流故障/警告限制。
故障监控器是采样比较器，具有用户可调阈值。比较器每12.1 μs采样一次，允许用户根据用户定义的设置消除输出噪声。仅当故障条件连续存在多次或称为delay_count时，监控器才会跳闸。这本质上是一个基于时间的筛选器。delay_count最多可设置为7个，为oc事件提供84 μs的抗干扰响应。这允许不检测到窄毛刺，同时声明更宽脉冲的故障。在负载和管理器之间插入的任何rc滤波器都会增加额外的延迟。滤波器降低了任何毛刺的幅度，但增加了监控器的响应时间延迟。数据手册建议的时间常数是开关频率的十分之一，但不会太长，以至于通过滤波器的延迟比监控器响应时间长得多。对于需要快速oc响应的安静电源，可以选择200 ω/10 nf或2 μs延迟。对于高噪声电源，1 kω/0.1 μf的rc产生100 μs的延迟。虽然这看起来有很多延迟，但它比adc读数快得多，adc读数可能是~100 ms。
欠流监控将检测输出中的低电流或反向电流情况。低电流条件是轻负载的典型情况，uc故障可能不是可取的。但是，测量的输出电流值包括负值。虽然通常不使用欠流监控，但它可以通过将iout_uc_fault_limit设置为负值来检测反向电流条件。要禁用 uc 故障检测，请将iout_uc_fault_response设置为忽略，并将iout_uc_fault_limit设置为较大的负值。默认设置为 –1 a。
虽然 ltc2971 / ltc2972 不具有 oc 故障检测功能，但这些器件具有一种 oc 警告功能，该功能将根据 adc 输出电流测量结果将 alertb 拉低。警告会将 alertb 拉低并更新status_iout寄存器。基于adc的读数将导致响应速度变慢，旨在通过硬件引脚和pmbus寄存器用作状态指示器。可以将 alertb 绑定到控制引脚以关闭通道。或者，微控制器可以通过声明中断来响应 alertb，并驱动 control 引脚或发出 pmbus 命令以关闭通道。将 alertb 绑定到控制的缺点是任何警告或故障都会关闭通道。®
使用 t 时意义ltc2971 / ltc2972 / ltc2974 / ltc2975 上的引脚用于补偿电感器 dcr，温度可用于关断通道，这是另一种形式的监控。过热故障、警告限值和故障响应可根据应用逐通道进行调整。也就是说，它可用于关闭单个通道，而不是全局（整个芯片）设置。
当前回读 l11 格式
从 psm 设备读回的十六进制值的格式为 l11。无论您是读取ltc2977 （adc 高分辨率模式）上的read_vout寄存器，还是读取ltc2975 / ltc2974 / ltc2972 / ltc2971 上的read_iout寄存器，l11 格式都是具有 5 位指数和 11 位尾数的有符号值。
l11格式支持电流测量的极性。由于它是有符号格式，因此允许read_iin和read_iout寄存器向系统主机提供有关电流方向的信息。ltc2974 / ltc2975 具有针对输出电流的欠流门限。负值可用于关闭吸收过多电流的通道，即反向电流。
关于 l11 格式，有一点特别需要说明，那就是粒度。ltc2971 / ltc2972 / ltc2974 / ltc2975 数据手册显示了一个表格，其中列出了宽电流范围内read_iout值的粒度。存在固有的粒度，这是由于 l11 十六进制格式造成的，而不是设备的 adc 或任何其他硬件限制。该表还列出了mfr_read_iout粒度以供比较。mfr_read_iout值是一种自定义格式，可提供更高的分辨率，2.5 ma 粒度高于 2 a。它仅限于 ±81.92 a。如果电路板的主机cpu/fpga需要将l11转换为浮点数，它可以向任一寄存器发出读取。read_iout寄存器对低于2 a的电流具有更好的分辨率，并且没有81.92 a限制，但mfr_read_iout值将解析为最接近的2.5 ma值。
psm 器件和 ltpowerplay 编程
与整个 ltc297x 器件系列一样，首次对 psm 器件进行编程并成功为硬件供电是非常有益的。使用ltpowerplay是您最简单的途径。ltpowerplay是一个免费下载，可以在windows上运行。该软件具有内置的编程实用程序，可将您保存的配置数据写入设备的eeprom。上电后，芯片会自动从eeprom加载其ram，并准备自主运行。®
无论您是ltpowerplay的新手还是已经是高级用户，都可以了解如何使用基于ltpowerplay软件的电源配置和调试工具进行配置、设计、评估、诊断和调试。如果您不打算使用 ltpowerplay 进行编程或提供遥测，下载 linduino c 代码示例是另一种解决方案。代码示例在 ltsketchbook zip 文件中提供。
图 19.ltpowerplay是一个功能强大的基于windows的开发环境，支持adi公司的数字电源系统管理（psm）产品。
创建 .proj 文件的清单：
确保每个 psm 设备在 pmbus（硬件捆绑）上都有一个唯一的地址。
在每个输出通道上设置iout_cal_gain。
这是r意义、电感 dcr 或计算 i星期一价值。
在每个测量输入电源电流的器件上设置iin_cal_gain （ltc2971 / ltc2972 / ltc2975）。
设置与温度相关的配置（例如，mfr_iout_cal_gain_tc、mfr_iout_cal_gain_tau_inv mfr_iout_cal_gain_theta）。
设定 iout_oc_fault_limit 和iout_oc_fault_response （ltc2974 / ltc2975）。
设置iout_uc_fault_limit和iout_uc_fault_response （ltc2974 / ltc2975）。
提示：使用 ltpowerplay 中的配置向导来简化文件生成。
总结
adi 公司的 dpsm ltc297x 器件是混合信号 pmbus ic，可测量和监控电源电流。已经介绍了各种检测方法——电阻分流器、电感dcr和i星期一就是其中之一。电流测量功能通过以 oc/uc 故障监控的形式提供另一级别的保护，增加了该系列的功能集。这些器件为任何电源带来了监控、监督和测量电压和电流的能力。这些特性对于高价值的电源轨非常理想。ltc297x 提供了配置器件的 pmbus 寄存器的能力，这增加了在设计阶段的任何时间点更改电路板设计的灵活性，即使在电路板部署在现场之后也是如此。
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超越极限
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电阻分压器
电源电压高于最大额定电压 i意义引脚，人们可能会试图使用两个分压器。这似乎是一个合理的想法，直到你计算出分割“信号”的误差。分压器放置在检测元件的每一侧。“输出”取自每个分压器，并馈入 ltc297x 检测引脚。如果上下电阻比相互匹配，则可实现精确分频高压信号的目标。电源轨电压被分压足以使 ltc297x 输入保持在限值内，并且分压输出产生一个可由 ltc297x 测量的比例电压。但是，所需的电阻容差使得这种方法不切实际。此外，电压分压越多，误差就越大。例如，如果只有一个电阻的误差为0.1%，则结果是固定失调误差。增益误差贡献很小，失调误差占主导地位。
例如，假设您需要测量12 v电源的输出电流。电源支持2 a电流和一个10 mω分流电阻（r社交网络） 放置在输出路径中。分流器将在满载时产生20 mv信号。3分频电路是合适的选择，顶部和底部电阻分别选择为2 kω和1 kω。这放置了 i 的共模电压意义引脚为 4 v。如 ltc297x 器件所示，使用相对较低的值是为了保持较低的源阻抗，以减少分压器的戴维宁等效电阻引起的漏电流引起的误差。
图1.用于电流检测的电阻分压器会产生较大的误差。
假设处于空载状态，所有电阻都是完美的。每个分频器中点将为4.00 v，增量v将为零。因此，ltc297x的read_iout值为0.000 a。但是，如果2 kω元件之一的电阻高0.1%（2002 ω），则δv将为2.665 mv。但请记住，满量程为 20 mv/3 或 6.667 mv，如 i 所示。意义引 脚。2.665 mv读数转换为0.4 a的输出电流。这是预期满量程读数的 40%！如前所述，引入的误差是失调误差，而不是增益误差。尽管如此，这是一个很大的错误。这种方法对电阻容差过于敏感，我们必须寻找另一种解决方案。
高边检测放大器
由于ltc2972/ltc2974/ltc2975对i的电压限制为6 v。意义引脚，这个问题的解决方案是使用高端电流检测放大器（csa）进行电平转换。lt6100 / ltc6101 很常用于固定 / 用户可选增益。精度比分压电阻好得多。
图2.用作电平转换器的电流检测放大器。
以下是相关的方程和条件：
v外csa = i负荷×·社交网络× （r2 / r1）
设置iout_cal_gain = r社交网络× （r2 / r1）
保持 v爱森普1 v。psm 设备的 i意义引脚需要适应这种大的偏移。对于ltc2974/ltc2975，这违反了差分电压，该电压限制为±170 mv。幸运的是，ltc2971和ltc2972具有一个配置位，当设置imon_sense时，将电流检测电路置于允许检测高达6 v的单端电压的模式。
图8.mfr_config imon_sense位。
配置命令必须根据我们选择的硬件进行设置。在本例中，iout_cal_gain应设置为 400 （0.4 v/a）。单位是毫欧。如果没有可能影响read_iout值的温度系数或热时间常数，则其他与电流相关的命令可能具有默认值。mfr_iout_cal_gain_tc、mfr_iout_cal_gain_tau_ inv 和mfr_iout_cal_gain_theta的默认值设置为零。
我星期一lt7101降压型稳压器的引脚就是一个具有电压驱动输出的引脚示例。输出还具有失调电压。也就是说，在空载条件下，i星期一引脚位于0.4 v。起初，这似乎有问题，因为差分电压限值为±170 mv。但是，ltc2972 / ltc2971 psm 器件能够检测这种类型的 i星期一引脚，并允许在 i 上提供更大的差分信号意义引 脚。让我们通过一个真实的例子来工作。
图9.使用 lt7101 i星期一针。
ltc2971 / ltc2972 可通过连接 ltc297x i 连接至 lt7101森森引脚接地并连接 i森塞普引脚到 i星期一针。命令值可以按如下方式计算：
从read_iout方程开始，
重写iout_cal_gain方程求解：
假设 t校正= 1。
lt7101 的产品手册提供了 i星期一1 a 和 0.25 a 负载电流的电压电平分别为 1.21 v 和 0.603 v。因此，iout_cal_gain值为：
iout_cal_offset是：
iout_cal_offset是负值，因为我们需要减小read_iout值。您可能会发现需要更改计算出的寄存器值，以便更好地将测量的负载电流与read_iout读数相关联。这涉及添加校准步骤。强制使用已知负载电流，将read_iout值与预期值进行比较，然后将调整后的值写入iout_cal_gain和/或iout_cal_offset。一般来说，我星期一许多稳压器的精度不如检测电阻的电流测量精确，但校准电流测量将大大提高精度。
准确性
电流测量的精度取决于其各部分的总和。在大多数系统中，精度在负载电流范围的中高端非常重要。有些要求在轻负载条件下具有良好的精度，这意味着传感链中的信号非常小。我们可以将精度部分分为四类：检测元件、电路板布局、放大器和检测测量电路。
在更详细地介绍准确性之前，需要定义术语 tue。总未调整误差或 tue 是每个 ltc297x 数据手册中列出的规格。有用于电压和电流测量的 tue 规格。tue 是 psm 器件内部基准电压源、增益和失调误差（位于 v 路径中的缓冲器和放大器）所贡献的组合误差意义或我意义引脚到芯片的数字部分。tue 是所有过程变化和温度下read_iout或read_vout读数的百分比，是最坏情况下的误差。这消除了从芯片中计算单个贡献者的负担，例如v裁判误差和 adc 误差。外部元件 - csa 和相关电阻器、分流电阻器、电感器 dcr、i星期一当前 - 贡献自己的误差，必须在总体误差预算中加以考虑。
如前所述，最佳精度来自放置在输出路径中的电阻检测元件。r型意义容差通常指定为 1%。这些价格低廉且易于找到。值通常在0.5 mω至数十 mω之间。要确定该值，必须考虑当前感兴趣的范围以及范围两端所需的精度。当电流流过 r 时意义，在元件上产生一个小电压，即 delta v。正是这个信号需要测量并通过欧姆定律转换为电流。人们希望获得足够大的信号，以便在轻负载条件下获得良好的精度;但是，在重负载下会出现较大的ir压降，并可能对电源性能产生负面影响。我们假设稳压器的反馈来自负载本身，检测点连接在负载上。这考虑了输出路径中的任何压降，包括高端和gnd返回路径。r型意义位于稳压器的反馈回路内。包括布局中任何导致 ir 损耗的 pcb 铜。
下面是一个涵盖准确性的示例。假设电源的最大电流为10 a，我们需要低至100 ma的良好精度。满载时，建议将ir压降保持在20 mv，实现的精度为1%（电阻容差）+0.3%（数据手册中的tue）或1.3%，相当于负载电流大于4 a。对于6 v 上的输出电流时，可以使用 csa 单端输出来驱动 v 意义引 脚。可以使用任何通道，adc_hires位应保持其默认设置 0。输出电流测量值从read_vout寄存器读取，必须从伏特转换为安培。重要的是要意识到您在v处具有更大的动态范围意义引脚比i上的170 mv限制意义ltc2974 / ltc2975 的引脚。这允许将csa增益设置得更高，以产生更大的检测电压，因为v。森塞普引脚可驱动至 6 v。要考虑的参数是csa的输入失调电压v操作系统.它是v操作系统乘以设置csa输出误差的增益。如果 v操作系统为85 μv （ltc6101），增益设置为100，输出误差可能高达8.5 mv。v的星期二意义引脚1 v为0.25%。csa增益应设置为低，以最小化输出误差，但又应足够大，以利用v的大信号范围意义针。csa贡献的误差是给定增益设置下的固定mv误差。转换输出电流值中的误差显示在最后一列中。表 8 说明了一个示例。r型意义为 5 mω。
负载电流 检测电压 加航增益 v意义 ltc297x 周二 csa 错误 read_vout错误 转换输出电流
100毫安 500 μv 20 10 mv 25% 17% ±42% ±42毫安
100毫安 500 μv 100 50 mv 5% 17% ±22% ±22毫安
10 安培 50 mv 20 1 v 0.25% 0.17% ±0.42% ±42毫安
10 安培 50 mv 100 5 v 0.25% 0.17% ±0.42% ±42毫安
这表明外部csa为大检测电压提供了相当好的精度，但在低检测电平条件下会引入更多的误差。
通过产生足够的检测电压或信号，可以实现精确的电流测量。来自检测元件的 delta v 需要足够大，以克服芯片和其他来源（如布局）引入的任何噪声和误差。通过首先确定轻负载精度对您的重要性来估计信噪比 （snr）。可以通过考虑产生可接受精度的最低检测电压除以待测量范围内的最低电流值来计算最佳值。
为了达到最高精度，最好创建最大的信号并最大限度地减少组件/布局错误。也就是说，使用大的 r意义值并使用严格公差电阻器。您也可以考虑校准当前的回读值。施加已知的负载电流并观察read_iout值。调整iout_cal_gain值以最大程度地减少回读值中的错误。通过发出store_user_all命令将任何更改的值存储到芯片的eeprom。
分流电阻检测精度
分流电阻法的优点是它比电感dcr法更准确，因为分流电阻值通常精确到1%或更好。与电感dcr相比，温度系数相当低。然而，即使您可以购买非常严格的容差电阻器，这也可能会被布局和焊接问题所覆盖。
分流电阻方法的缺点是，由于ir压降，它是有损耗的。这会产生热量并在输出路径中产生压降。如前所述，通过将检测电阻置于反馈环路内，可以在很大程度上缓解ir压降，从而使稳压器的环路将压降降低到可以忽略不计的水平。
由于 ltc297x 差分输入电流将导致差分误差电压，因此 rcm 电阻器需要具有相同的值。不匹配的 rcm 电阻器仅由于滤波器元件容差而引入误差。通常，将这些电阻值保持在1 kω以下。
图 10.我意义引脚电流。
布局
无论您打算使用分立检测电阻还是电感dcr来测量电流，在高负载条件下，布局都变得很重要。这在焊接连接中最有可能产生ir压降，并且传感连接可能会产生影响。最好避免与焊盘进行的检测连接，该焊盘在感应点之间包括ir压降。如果比较图11中的布局，则显示与焊盘内部连接的示例将很少或没有ir压降，因为焊盘的这些区域很少或没有电流。标记为“公平”的布局由于检测点（焊盘一侧）的位置而受到ir压降的影响，该位置部分位于当前路径中。
图 11.分流电阻器的布局建议。
市场上有 4 端子检测电阻器。它们提供两个用于主电流路径的端子和两个用于开尔文检测连接的端子。对于要求对大于20 a左右的电流具有良好精度的应用，可以使用值低至100 μω的4端子金属合金检测电阻。一些制造商指定高阻值电阻的容差比低阻值电阻更严格，因此您在这里有一个基本的权衡——在0.1%时使用1 mω，而在0.5%时使用400 μω。
图 12.一个 4 端子分流电阻器。
请参考“通过改进低值分流电阻器的焊盘布局来优化大电流检测精度”，了解有关布置检测电阻时的精度的更多细节。
使用 ltc2977 / ltc2979 / ltc2980 / ltm2987 来测量输出电流
ltc2977 / ltc2979 / ltc2980 / ltm2987 器件测量电流的能力有限。它们可以配置为测量奇数通道上的电流：通道 1、3、5 和 7。要配置电流测量，必须将通道设置为高分辨率模式（mfr_config_ltc2977，bit9）。这允许 v森森引脚连接到高达6 v的共模电压。五世森塞普和 v森森引脚可以连接在电感 （dcr） 或电阻检测 （r社交网络） 元素。
图 13.mfr_config adc_hires位。
偶数通道不支持此功能，v森森引脚（通道 0、2、4 和 6）必须保持在 gnd 的 ±100 mv 以内。
在此模式下，此通道提供的唯一功能是电流的遥测回读。设置adc_hires位将禁用vout_en引脚并禁用所有故障响应。实质上，就 ltc2977 而言，它强制通道进入“关断”状态，并且它仅回读检测元件两端的电压（以 mv 为单位）。
ltc2977 / ltc2979 / ltc2980 / ltm2987 器件没有方便的read_iout寄存器或用于存储 dcr 或 r 的寄存器社交网络价值。相反，您可以使用 read_vout 命令获取原始差分电压读数。系统主机需要根据该读数除以检测电阻值来计算电流。请注意，这些值以 l11 格式给出，而不是 l16 格式。单位为毫伏。如果使用系统主机或 fpga/cpu 读取电流，则必须执行数学运算，将毫伏值转换为以毫安或安培为单位的值。应用笔记an135介绍了将l11十六进制转换为浮点值的示例代码。
图 14.v意义用于差分电流检测的引脚。
ltpowerplay具有一项功能，可以方便地将此mv读数转换为以ma为单位的当前回读值。有一个比例因子可用于在read_vout寄存器中生成调整值。可以通过单击“配置”窗口中的“设置”选项卡来访问此功能。
输入到 vout 显示缩放框中的值应等于 1/r社交网络.如果使用外部 csa，则需要将比例因子设置为 1/（增益加航/r社交网络).有一个“显示单位”字段，可以通过将 v 替换为 a 来将其从伏特更改为安培。这些变化允许读数显示计算出的电流，该电流与基于电路中检测电阻的实际电流一致。例如，如果 r社交网络为 10 mω （0.01 ω），vout 显示缩放为 100。read_vout寄存器现在将报告一个以ma为单位的值，该值反映芯片测量的每个mv的100 ma。在本例中，592 ma负载施加到r的电源轨上。社交网络10 mω，芯片测量值为5.92 mv。注意：设置下的缩放/偏移值不会保存到设备的 nvm 中，但会保存到 .proj 文件中。
图 15.vout 在“设置”选项卡中显示缩放比例。
图 16.read_vout遥测以 ma 为单位显示缩放值和单位。
由于差分电压（vsensepn – vsensemn）限制为±170 mv，因此必须选择检测元件，以使ir压降不超过此限制。这些引脚的共模电压允许高达6 v。例如，如果电流预计在3 a范围内，则50 mω检测电阻为adc提供150 mv电压，并允许偏移至3.4 a。这对于精度非常有用，因为信号很大，但输出路径中的150 mv是相当大的ir压降。这是在电流测量精度和输出中的ir压降之间做出决定时要做出的基本权衡。应始终在负载处关闭反馈回路。这允许稳压器/伺服器调整到适当的输出电压。有关更多详细信息，请参阅 ltc2977 的产品手册。
例如，分配了一个奇数通道来测量输出电流。通道 7 测量 i外通道6，3.0 v电源。
图 17.read_vout转换为ma（频道7）。
当奇数通道配置为adc高分辨率模式时，无法使用vout_en引脚，监控器功能被禁用;因此，不可能快速检测过流情况。但是，如果您使用 csa 并将单端信号输出到 v森塞普针。这专用于一个电压通道来监控csa的输出。传播延迟将由通过 csa 的延迟、psm 设备引入的延迟以及无源组件（即 rc）可能引入的任何延迟的总和决定。psm 延迟取决于配置、故障响应是设置为立即关闭还是去毛刺关闭以及延迟计数设置。
超频/直流故障监控
在为高值负载供电的电源轨上，可能需要保护负载免受过流情况的影响。输出电流监控器内置于 ltc2974 / ltc2975 中。专用硬件允许用户配置通道，以便在监控器检测到过流或欠流情况时关闭。这些器件同时具有电压和电流监控功能，这意味着如果输出电压或输出电流超出用户定义的限值，通道将被关断。电压监控器和电流监控器在内部组合到vout_en逻辑中。本文第 1 部分中的表 1 总结了所有 psm 管理器的此功能。
图 18.我外超频/直流故障/警告限制。
故障监控器是采样比较器，具有用户可调阈值。比较器每12.1 μs采样一次，允许用户根据用户定义的设置消除输出噪声。仅当故障条件连续存在多次或称为delay_count时，监控器才会跳闸。这本质上是一个基于时间的筛选器。delay_count最多可设置为7个，为oc事件提供84 μs的抗干扰响应。这允许不检测到窄毛刺，同时声明更宽脉冲的故障。在负载和管理器之间插入的任何rc滤波器都会增加额外的延迟。滤波器降低了任何毛刺的幅度，但增加了监控器的响应时间延迟。数据手册建议的时间常数是开关频率的十分之一，但不会太长，以至于通过滤波器的延迟比监控器响应时间长得多。对于需要快速oc响应的安静电源，可以选择200 ω/10 nf或2 μs延迟。对于高噪声电源，1 kω/0.1 μf的rc产生100 μs的延迟。虽然这看起来有很多延迟，但它比adc读数快得多，adc读数可能是~100 ms。
欠流监控将检测输出中的低电流或反向电流情况。低电流条件是轻负载的典型情况，uc故障可能不是可取的。但是，测量的输出电流值包括负值。虽然通常不使用欠流监控，但它可以通过将iout_uc_fault_limit设置为负值来检测反向电流条件。要禁用 uc 故障检测，请将iout_uc_fault_response设置为忽略，并将iout_uc_fault_limit设置为较大的负值。默认设置为 –1 a。
虽然 ltc2971 / ltc2972 不具有 oc 故障检测功能，但这些器件具有一种 oc 警告功能，该功能将根据 adc 输出电流测量结果将 alertb 拉低。警告会将 alertb 拉低并更新status_iout寄存器。基于adc的读数将导致响应速度变慢，旨在通过硬件引脚和pmbus寄存器用作状态指示器。可以将 alertb 绑定到控制引脚以关闭通道。或者，微控制器可以通过声明中断来响应 alertb，并驱动 control 引脚或发出 pmbus 命令以关闭通道。将 alertb 绑定到控制的缺点是任何警告或故障都会关闭通道。®
使用 t 时意义ltc2971 / ltc2972 / ltc2974 / ltc2975 上的引脚用于补偿电感器 dcr，温度可用于关断通道，这是另一种形式的监控。过热故障、警告限值和故障响应可根据应用逐通道进行调整。也就是说，它可用于关闭单个通道，而不是全局（整个芯片）设置。
当前回读 l11 格式
从 psm 设备读回的十六进制值的格式为 l11。无论您是读取ltc2977 （adc 高分辨率模式）上的read_vout寄存器，还是读取ltc2975 / ltc2974 / ltc2972 / ltc2971 上的read_iout寄存器，l11 格式都是具有 5 位指数和 11 位尾数的有符号值。
l11格式支持电流测量的极性。由于它是有符号格式，因此允许read_iin和read_iout寄存器向系统主机提供有关电流方向的信息。ltc2974 / ltc2975 具有针对输出电流的欠流门限。负值可用于关闭吸收过多电流的通道，即反向电流。
关于 l11 格式，有一点特别需要说明，那就是粒度。ltc2971 / ltc2972 / ltc2974 / ltc2975 数据手册显示了一个表格，其中列出了宽电流范围内read_iout值的粒度。存在固有的粒度，这是由于 l11 十六进制格式造成的，而不是设备的 adc 或任何其他硬件限制。该表还列出了mfr_read_iout粒度以供比较。mfr_read_iout值是一种自定义格式，可提供更高的分辨率，2.5 ma 粒度高于 2 a。它仅限于 ±81.92 a。如果电路板的主机cpu/fpga需要将l11转换为浮点数，它可以向任一寄存器发出读取。read_iout寄存器对低于2 a的电流具有更好的分辨率，并且没有81.92 a限制，但mfr_read_iout值将解析为最接近的2.5 ma值。
psm 器件和 ltpowerplay 编程
与整个 ltc297x 器件系列一样，首次对 psm 器件进行编程并成功为硬件供电是非常有益的。使用ltpowerplay是您最简单的途径。ltpowerplay是一个免费下载，可以在windows上运行。该软件具有内置的编程实用程序，可将您保存的配置数据写入设备的eeprom。上电后，芯片会自动从eeprom加载其ram，并准备自主运行。®
无论您是ltpowerplay的新手还是已经是高级用户，都可以了解如何使用基于ltpowerplay软件的电源配置和调试工具进行配置、设计、评估、诊断和调试。如果您不打算使用 ltpowerplay 进行编程或提供遥测，下载 linduino c 代码示例是另一种解决方案。代码示例在 ltsketchbook zip 文件中提供。
图 19.ltpowerplay是一个功能强大的基于windows的开发环境，支持adi公司的数字电源系统管理（psm）产品。
创建 .proj 文件的清单：
确保每个 psm 设备在 pmbus（硬件捆绑）上都有一个唯一的地址。
在每个输出通道上设置iout_cal_gain。
这是r意义、电感 dcr 或计算 i星期一价值。
在每个测量输入电源电流的器件上设置iin_cal_gain （ltc2971 / ltc2972 / ltc2975）。
设置与温度相关的配置（例如，mfr_iout_cal_gain_tc、mfr_iout_cal_gain_tau_inv mfr_iout_cal_gain_theta）。
设定 iout_oc_fault_limit 和iout_oc_fault_response （ltc2974 / ltc2975）。
设置iout_uc_fault_limit和iout_uc_fault_response （ltc2974 / ltc2975）。
提示：使用 ltpowerplay 中的配置向导来简化文件生成。
总结
adi 公司的 dpsm ltc297x 器件是混合信号 pmbus ic，可测量和监控电源电流。已经介绍了各种检测方法——电阻分流器、电感dcr和i星期一就是其中之一。电流测量功能通过以 oc/uc 故障监控的形式提供另一级别的保护，增加了该系列的功能集。这些器件为任何电源带来了监控、监督和测量电压和电流的能力。这些特性对于高价值的电源轨非常理想。ltc297x 提供了配置器件的 pmbus 寄存器的能力，这增加了在设计阶段的任何时间点更改电路板设计的灵活性，即使在电路板部署在现场之后也是如此。
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