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多电流监控疑难解析
 

【作者: Mitch Polonsky】2022年06月27日 星期一

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一些使用电池供电的系统会配备多个电流感测器或功率监视器,在这类系统中,多通道功率监视器将帮助设计人员大幅降低系统功耗和程式复杂性。


具体来说,与重复使用单通道元件相比,选择多通道元件进行功率测量时能够降低至少38%的功耗。此外,由主机处理器维护的功率监控活动可以进入休眠模式,以保留更多的处理能力用於其他活动。


遗憾的是,首先需要就命名法达成一致。现在有多个不同的短语被用来指称这一元件类别, 有些人称之为上桥臂电流感测器(high-side current sensors)、电流感测器(current sensor),或是功率监视器IC(power monitor IC)。这类元件具有数位介面,输入可直接连接到高於5V的电压轨,可测量通过检测电阻的电流、电压和功率。这类功率监视器具有一个既定优势,即能够连接到较高的电压。有些功率监视器最高可以承受100V的电压,而其他中阶元件最高只能承受32V的电压。因此,有了这类元件,便无需在高压应用中使用外部元件。


图一以一个简单的架构图示来辅助说明该元件类别。ADI(Maxim,LT)、TI、Renesas(Intersil)和Microchip都有此类元件。Maxim将这类元件称为带有数位输出的电流感测器,而ADI称这类元件为功率监视器。TI和Microchip都将这类元件称为电流/电压/功率监视器,因此命名法的一致性得以延续。



图一 : 主机处理器和类比电流感测器
图一 : 主机处理器和类比电流感测器

既然命名法的问题已经解决了,我们来回顾一下这类元件的一些优势,以及如何利用多通道版本来降低功耗。本文首先介绍整合ADC的主机处理器,主机需要持续通电以测量位於电路板上其他位置的电流感测器。如果系统仅使用不超过5V的电源电压,则可能只需要简单的运算放大器和电阻即可测量系统的功率。要降低监控活动产生的系统功耗,可以执行周期性轮询(periodic polling)。


然而,这并没有解决关键电源轨需要更加主动的管理的问题。这种管理可用於测量和优化电源效率或了解剩馀电池寿命。在任一情况下,如果可以使用具有限值的独立电流感测器实现中断功能,则主机处理器可以在较低功耗状态下坚持更长的时间。因此,在需要监控关键电源轨的应用中会发现一个缺陷,即主机处理器“always on”。


许多主机处理器还有另外一个缺陷,即如果要连接高於5V的更高电压轨,则必须保护元件,如此可以看到上桥臂电流感测器的优势。现在,试想一个纯类比上桥臂电流感测器。这类电流感测器的一般模式电压高达100V以上。这类元件可以直接连接到更高的电压轨,无需外部保护元件。此外,这类元件仍向主机控制器提供讯号,这些讯号代表系统中的电流和功率。


事实上,既然讨论的主题是多通道功率监控,则应该注意,即使是类比电流感测器也有多通道选项。在此,类比电流感测器的主动功耗通常等於单个元件的功耗乘以通道数。亦即假如单通道类比电流感测器(例如INA290)的最大静态电流为600 μA,那麽在相同的工作条件下,同一系列中的双通道版本INA2290的静态电流为1200 μA。


功率监视器IC

接着介绍功率监控IC主题,这是一种混合讯号元件。对於选用“always on”的主机控制器和类比电流感测器的系统,下文将介绍功率监视器对其进行改进的方式。


首先,功率监视器独立於主机控制器计算晶片功耗。该元件使用的方法仍与类比电流检测放大器相同,但比其更进一步,可通过整合ADC和倍频器实现功率的数位表示,然後再透过数位介面将该数位值传输到暂存器;由此提供数位功率计算。因此,系统主机处理器可以有下列的好处:


· 节省监控一个或多个类比电流感测器产生的软体开销、缩短开发时间并降低程式复杂性


· 缩短处於唤醒状态的时间,同时感测器可以累积资料


其次,功率监视器还有一项附加优势,即可以通过使用共用通讯汇流排减少主机需要的接脚数。许多通用感测器使用共用介面,因此可与额外的功率监视器、温度感测器和记忆体等共用这些汇流排。使用多个单通道类比电流感测器时则没有这样的优势,因为它们需要在主机上使用额外的接脚。此外,这也意味着有更多的GPIO被作为一般功能使用。


第三,功率监视器允许系统等待警告讯号而不是轮询读数,因此可以降低主机功耗。在此等待期间,主机可以选择保持在功耗较低的休眠或待机状态,以节省更多的系统电池电量,同时由功率监视器监控关键电压轨的偏差。


使用多通道功率监视器降低功耗

最後,叙述多通道功率监视器主题。与单通道元件有所不同,这类多通道功率监视器能够构建??圈采样和报告架构,进而降低系统功耗。大多数公司都使用类似的架构,因此将透过用於PAC1954的Microchip架构来进行说明。


请注意,PAC1954元件具有一个用於测量Vsense的ADC,透过对这一功能模组进行多工,可以测量和报告系统中四个检测电阻的Vsense电压。因此,与四个单通道电流感测器相比,此架构所需的静态功耗更低。



图二 : PAC195x-1 功能架构图
图二 : PAC195x-1 功能架构图

例如,如果将竞争对手的四通道电流感测器的最大静态电流与高品质的单通道功率监视器进行比较,可以看到将一个ADC用於四通道元件的既定优势。在85。C温度下,以16位元的解析度进行四通道测量时,竞品元件消耗的最大电流为450 μA。在以16位元的解析度进行单通道测量时,功率监视器消耗的最大电流为400 μA,也就是说,四个通道总共消耗1600 μA。


最新的Microchip元件也可以执行上述计算。现在,我们以双通道功率监视器PAC1952为例,该元件在125。C温度下消耗的最大静态电流为495 μA。在功率测量方面,与竞品元件消耗的最大静态电流800 μA相比,系统功耗降低了1-(495/800) = 38%。


总结

使用多通道功率监视器IC可以带来以下的优势:


· 节省软体开销、缩短开发时间并降低程式复杂性


· 缩短处於唤醒状态的时间,同时感测器可以累积资料


· 减少主机上的接脚数或释放更多的主机接脚以用作通用GPIO


· 使用报警唤醒系统而不是轮询偏差读数,进而降低主机功耗


最重要的是,使用多通道功率监视器代替单通道功率监视器可以显着节省电能。正如来自多家供应商的多个元件所示,基於共用ADC的架构,将有助於降低对系统电压轨进行功率监控时产生的功耗,最高可降低38%。


(本文作者Mitch Polonsky 为Microchip Technology混合及线性讯号产品部资深产品行销经理)


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