介绍
板级设计人员的任务是赋予电路板生命、监控其运行状况、调整设置、运行诊断、使其脱机进行检查、在情况不太正确时进行故障排除,以及正常关闭复杂电路板的电源而不会发生事故。在设计和开发电源的世界中,电源管理可能不仅是可取的,而且是一项硬性要求。电源系统管理器聚合了各种功能,例如上电排序、故障检测、裕量测试、协调关断、测量电压、测量电流和收集数据进行分析。使用 ltc297x 器件测量电源电流是本文的重点。
对于为高价值组件(如fpga、cpu和光收发器)供电的电源,测量从电源轨汲取的电流可能很重要。对于这些关键电源轨,这些数据使电路板设计人员能够深入了解其性能。当测量电流并且电流值为数字格式时,设备可以计算功率和能量,系统主机可以执行独特的计算,查找数据趋势,安排任务等。
许多技术文章和应用笔记都是关于电流检测主题的,但没有一篇专门针对dpsm进行讨论。本文涵盖模拟和数字方面,并介绍了用于测量低压、高压和负电源轨电流的各种支持电路。
ltc297x dpsm 系列
本文的重点是具有内置电流测量的电源系统管理器。表 1 描述了这些设备之间的差异。
ltc2977 / ltc2979 / ltc2980 / ltm2987 可配置为监视电流,但存在一些限制。只有奇数通道支持电流测量,测量值以未缩放的伏特单位返回。第 2 部分对此进行了更详细的介绍。
本文重点介绍 ltc2971 / ltc2972 / ltc2974 / ltc2975 器件,因为它们能够测量输出电流并允许系统 / 软件使用 read_iout 命令以安培为单位回读值。
注意 an-105:电流检测电路集合 理解电流涵盖了各种各样的电路和场景。该系列的一部分适用于adi数字电源系统管理器。
输出电流监视器 输出超频/统一通信 主管 输入电流监视器 能量累积。 ltpowerplay支持
ltc2971 ✔ ✔ ✔ ✔
ltc2972 ✔ ✔ ✔ ✔
ltc2974 ✔ ✔ ✔
ltc2975 ✔ ✔ ✔ ✔ ✔
ltc2977 奇数通道 ✔
ltc2979 奇数通道 ✔
ltc2980 奇数通道 ✔
ltm2987 奇数通道 ✔
1除非另有说明,本应用笔记中的术语ltc297x是指ltc2971、ltc2972、ltc2974、ltc2975、ltc2977、ltc2979、ltc2980和ltm2987。它不包括 ltc2970。
psm 基础知识
电源系统管理器提供电源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功能:系统主机或ltpowerplay可以支持初始电路板启动、调试、验证或收集基线数据,或查找趋势。虽然某些电源通道不需要精确的电流读数,但许多关键输出通道需要高精度的电流测量。
本文将介绍各种电流检测选项,包括成本、复杂性和精度之间的权衡。
图1.read_iout ltpowerplay中的遥测图。
电流检测选项
ltc2971 / ltc2972 / ltc2974 / ltc2975 管理器可准确测量输出电流。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.带串联分流器的电流检测。
例如,将 i 连接意义连接到分流器,配置几个寄存器,其余部分由芯片完成。芯片将测得的检测电压转换为电流值。ltpowerplay将电流实时显示为数值,并在遥测图中显示。
图3.用于输出电流测量的 pmbus 寄存器设置。
还可以使用 ltc2977 / ltc2979 / ltc2980 / ltm2987 来测量输出电流;但是,read_iout命令返回的电压必须由系统主机或 ltpowerplay 转换为放大器。实际上,这意味着固件而不是芯片必须存储串联分流器的值。
串联分流电阻器不是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。
分流电阻器 电感直流电阻 伊蒙
准确性 非常好 好 很好,但轻负载精度通常不规范
输出路径 有损(红外压降) 无额外损失 无损
滤波器 每引脚 1 极点滤波器 每引脚 2 极点滤波器 单遥控
其他 几乎没有共模限制,某些器件的imon引脚上的失调电压
分流电阻检测
最常见的检测方法使用分流电阻器,有时称为分流器。无论dc-dc转换器是开关稳压器还是线性稳压器,分流电阻器都与输出串联。反馈电阻分压器连接到输出节点,使分流器位于反馈环路内部,这允许稳压器在施加负载电流时补偿分流电阻器的ir压降,从而显著改善负载调整率。
图4.反馈环路内的检测电阻。
用于将电压转换为电流的 pmbus 命令称为 iout_cal_gain。这是分流电阻器的标称电阻。芯片通过 i 测量分流电阻器两端的小压降意义引脚,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:
使用电阻分流器时,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:20 a) 电源轨的首选方法。增加电阻分流器是一个额外的组件,可耗散功率并产生热量。
必须能够访问电感器的两端才能检测其两端,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2级差分rc低通滤波器。为了方便和小尺寸,可以使用4元件电阻阵列。选择电阻值时,ir压降应足够小,以防止ltc297x输入电流产生误差,同时又足够大,使电容值保持在1 μf以下。
ltc2971 / ltc2972 / ltc2974 / ltc2975 的产品手册为选择 rc 值提供了指导。
例:
假设 l = 2.2 μh, dcr = 10 mω, f西 南部= 500 khz
设 rcm1 = rcm2 = 1 kω
图6.dcr 电感检测,带 2 极点低通滤波器。
dcr 传感提供无损电流测量;然而,由于电感绕组电阻或dcr的变化,精度会受到影响。电感dcr规格高达±10%或仅为最大值的情况并不少见。实际dcr值因电感和批次而异。
另一种滤波方案仅使用两个电阻和两个电容。这将组件数量从 8 个减少到 4 个;但是,滤波器性能不如图7所示。
图7.dcr 电感检测,带简化的低通滤波器。
pmbus 配置
要使用 pmbus 命令配置 ltc297x,使用 iout_cal_gain 命令来设定分流电阻器或电感器 dcr 的标称值。对于用铜线缠绕的电感器,dcr随着电感器温度的升高而增加。这将在read_iout读数中引入错误。这可以通过使用mfr_iout_cal_gain_tc命令设置铜的温度系数来补偿。该值的数据手册默认值为3900 ppm/°c。 您可能需要调整该值以匹配您的电感器,因为当电线是合金而不是纯铜时,此参数可能会有很大差异。mfr_iout_cal_gain_theta是可以设置的热时间常数。ltc297x 数据手册更详细地介绍了这些内容。
重要的是在电感器附近放置一个温度传感器(二极管连接的双极晶体管),以实现更精确的电流温度补偿。ltc2971 / ltc2972 / ltc2974 / ltc2975 器件具有 t意义连接到传感器的针脚。
伊蒙
imon引脚在许多稳压器中越来越受欢迎,包括开关稳压器和线性稳压器。这些稳压器具有电流检测输出引脚,用于监控稳压器的负载电流。imon 方法的优点是它是无损的,并且无需担心共模电压,因为 ltc297x i意义引脚未连接到 v外.imon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,这需要将电阻连接到gnd。 电流输出 imon 引脚允许用户选择一个电阻值,从而设置最大满负载电压。
单端电压可以是比分流器或电感dcr上产生的电压大得多的信号。ltc2972 和 ltc2971 器件甚至具有一个配置位以允许更大的信号电平。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。
应选择imon电阻值,以便在所有负载条件下允许宽动态范围。通常,imon精度在中重负载电流条件下良好,但在轻负载下会失去精度。有关更多详细信息,请查看稳压器的数据手册规格。
图9.psm使用imon测量电流。
一些稳压器将电流限制功能与imon引脚相结合。该引脚可以称为imon/ilim。注意不要选择imon电阻值,以免imon电压在满负载下激活电流限制电路。示例包括线性稳压器,例如 lt3072 和 lt3086。在其他情况下,例如 lt3094 和 lt3045,有一个 ilim 引脚用作电流限值,并可用作输出电流监视器。在某些开关稳压器的情况下,引脚可能称为imon,内置电流限制功能可能不明显。示例包括 lt8652s 和 lt8708。限流电路具有折返功能,不会关闭输出。为了关断输出,ltc298x 将检测一种过流情况并将vout_en拉低,从而使稳压器的输出失效。
输入电流检测
电源系统可能具有单个输入电源,为多个下游稳压器供电。输入电源电流可由一个 ltc2971、ltc2972 或 ltc2975 测量。使用 ltc2971 / ltc2972 / ltc2975 测量 iin 非常简单,因为这些器件具有将引脚连接至一个检测电阻器 r 的本机能力社交网络在 v 的当前路径中在.iin_sns引脚的直接接线限制为 v在ltc2972/ltc2975的电源电压为<15 v,ltc2971的电源电压为<60 v。
图 10.v在电流和电压检测。
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的pmbus寄存器,可将检测电压转换为电流。在输入电源电流的情况下,使用pmbus寄存器mfr_iin_cal_gain。然后可以从read_iin寄存器读取输入电源电流。
图 11.v 的 pmbus 寄存器在电流测量。
我们不仅可以测量电流,还可以测量电压。pmbus 命令是read_iin和read_vin。凭借电流、电压和一个时基,ltc2971 / ltc2972 / ltc2975 还可以计算输送到系统的功率和能量。能量累加器将在下一节中介绍。
ltc2971能够检测60 v电源轨上的输入电源电流。iin_sns引脚可直接连接至电源输入端的检测电阻。对于高于24 v的电源电压,我们建议使用降压稳压器通过vpwr引脚为ltc2971供电。这节省了功率并避免了 ltc2971 的自发热。功率因 v 而耗散压水堆× i压水堆并可能导致芯片温度升高到高于预期。adp2360具有5 v固定电压选项,可为降压稳压器提供低成本、小尺寸解决方案。
图 12.高压 v在利用 ltc2971 进行电流和电压检测。
电能计量
监控能源使用情况可能很重要。无论输入电源是开关稳压器、太阳能电池板输出还是电池源,了解系统消耗的总能量都可能很有用。ltc2971 / ltc2972 / ltc2975 能够对输入电源进行高端电流检测。此功能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能量读数相关的特性非常有用。选择read_ein命令后,遥测窗口将显示累积能量的实时图。
图 13.来自ltpowerplay的实时能量图。
电能表还测量输入电源电压,因此也能够报告输入功率。由于能量是功率和时间的乘积,因此累积的能量是根据经理的内部时基提供的。gui 右上角显示的测量仪提供了更多信息。指针是以瓦特为单位的输入功率的实时指示器,较小的五个表盘显示类似于家用电表的总累积能量。为方便起见,还提供数字读数。
图 14.ltpowerplay中的能量计。
ltpowerplay提供了一个简单易懂的界面,将输入和输出电流、电压、功率和能量读数结合在一起。
输入电流、输入电压、输入功率和输入能量可以表格格式查看。它们显示在 gui 的遥测部分中。mfr_ein寄存器以毫焦耳为单位保存累积能量值。还有一个总时间,能量累加器一直处于活动状态,显示为mfr_ein_time寄存器。当单位从 mj 更改为 j 再到 kj 时,gui 将自动更新显示的 si 前缀。
图 15.与输入电源电压、电流、功率和能量相关的遥测视图。
表 3 汇总了可从 ltc297x 读回的所有遥测数据。寄存器是我2c/pmbus 字读取,但mfr_ein寄存器除外,这是一个块读取。
寄存器名称 ltc2971 / ltc2972 / ltc2975 ltc2974 ltc2977 / ltc2979 / ltc2980 / ltm2987
read_iout ✔ ✔ ✔
read_vout ✔ ✔ ✔1 ✔
read_pout ✔ ✔
read_iin ✔ ✔
read_vin ✔ ✔ ✔
read_pin ✔
mfr_ein ✔2
1. 如果设置了adc_hires位,则read_vout值以 mv 为单位返回。l11 格式。
2. 块读取,包括能量值(以 mj 为单位)和经过时间(以毫秒为单位)。
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