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利用PMBus数位电源系统管理器进行电流感测
 

【作者: Michael Peters】2022年06月24日 星期五

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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,调整设定,运行诊断,离线进行检查,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、馀裕测试、协调关断、量测电压、量测电流以及收集资料进行分析。使用 LTC297x 元件量测电源电流是本文的重点[1]。


对於为FPGA、CPU、光收发器等高价值元件供电的电源,量测其从电源轨撷取的电流可能很重要。对於这些关键电源轨,电路板设计人员可以透过此资料深入了解其性能。当电流资讯被量测到,且电流值为数位格式,那麽元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、从资料中分析趋势、安排任务等。



目前已有许多围绕电流感测主题的技术文章和应用笔记问世,但未见到专门针对DPSM的。本文涵盖了类比和数位方面,并描述用於量测低压、高压和负电源轨的各种支援电路。


LTC297x DPSM系列

本文的重点是内建电流量测功能的电源系统管理器。表1说明了这些元件之间的差异。


LTC2977/LTC2979/LTC2980/LTM2987 可配置用来监视电流,但存在一些限制。只有奇数通道支援电流量测,并且量测值以未缩放的单位(V)返回。本文重点介绍 LTC2971/LTC2972/LTC2974/LTC2975 元件,它们能够量测输出电流,并允许系统?软体利用READ_IOUT命令回读以安培(A)为单位的值。


表1. LTC297x DPSM元件系列

 

输出电流

监视器

输出过流/

欠流监控器

输入电流

监视

电能累计

TpowerPlay支援

LTC2971

?

 

?

?

?

LTC2972

?

 

?

?

?

LTC2974

?

?

 

 

?

LTC2975

?

?

?

?

?

LTC2977

奇数通道

 

 

 

?

LTC2979

奇数通道

 

 

 

?

LTC2980

奇数通道

 

 

 

?

LTM2987

奇数通道

 

 

 

?


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

PSM基础

电源系统管理器提供关於电源的关键电压和电流读数的数位视图。这是该产品系列的特色:系统主机或LTpowerPlay可以支援电路板初始启动、侦错、验证或收集基线资料,或者寻找趋势。虽然一些电源通道不需要精准的电流读数,但许多关键的输出通道需要高度精准的电流量测。


本文介绍各种电流感测选项,包括成本、复杂性和精度之间的权衡。


图1 : LTpowerPlay 中的 READ_IOUT 遥测曲线
图1 : LTpowerPlay 中的 READ_IOUT 遥测曲线

电流感测选项

LTC2971?LTC2972?LTC2974?LTC2975管理器能够精准量测输出电流。应尽可能使用这些元件,因为它们具有专用的电流感测接脚和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感测
图2 : 使用串联分流器进行电流感测

例如,将ISENSE线连接到分流器,配置几个暂存器,剩下的工作由晶片完成。晶片会将测得的电压转换为电流值。LTpowerPlay将电流即时显示为数值和遥测曲线。



图3 : 用於输出电流量测的 PMBus 暂存器设定
图3 : 用於输出电流量测的 PMBus 暂存器设定

也可以使用LTC2977?LTC2979?LTC2980?LTM2987来量测输出电流,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。执行中,这表示韧体(而不是晶片)必须储存串联分流器的值。


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


表2 电流感测选项总结

 

分流电阻

电感DCR

IMON

精度

非常好

良好

良好,但一般不指定轻载精度

输出路径

有损(IR压降)

无额外损耗

无损

滤波器

每接脚一个

单极点滤波器

每接脚一个

双极点滤波器

RC

其他

 

 

几??没有共模限制,某些元件上的IMON接脚上有偏移电压


分流电阻感测

最常见的感测方法是使用分流电阻,有时也称为感流电阻。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。回??电阻分压器连接到输出节点,使得分流器位於回????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,从而明显提高负载调整率。



图4 : 反????路内的感测电阻
图4 : 反????路内的感测电阻

用於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。晶片透过ISENSE接脚量测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。晶片感测到的实际电压可透过MFR_IOUT_SENSE_VOLTAGE命令获得。


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


规格中列出了ISENSE接脚上产生的最大差分感测电压。大多数LTC297x元件的差分电压以+/-170 mV为限,这为大多数应用提供了足够的范围。最大成测电压计算如下:VSENSE= RSNS × IOUT(MAX)SENSE 。通常,首先确定最大感测电压,RSNS电流感测电阻计算如下:RSNS = VSENSE ? IOUT(MAX)。选择的最大感测电压应是一个足够大的讯号,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是一个很好的最大感测电压。选择电流感测电阻的物理尺寸,其功耗额定值应大於感测电阻的计算功耗 [2]。


一种相关方法是增加一个以地为基准的电流感测放大器(CSA),其提供单端输出,该输出被??送到管理器的电流感测接脚。这种方法通常用於对高於大多数LTC297x管理器的6 V限值的电压轨进行位准转换。CSA应具有良好的高端共模性能。通常从被感测的电压轨和GND为此类元件供电。後续文章将会详细介绍这种方法。



图5 : 用於更高电压轨的电流感测放大器
图5 : 用於更高电压轨的电流感测放大器

ADI提供了许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,可控制上电时序并进行监控。大多数μModule元件都有内建电感,但有些还整合了上方回??电阻,因此无法在回????路内增加外部分流电阻。应当选择允许使用外部上方回??电阻以获得最高电压精度的μModule元件。


电感DCR感测

DCR感测是一种透过降压稳压器的输出电感感测电流的方法。电感可以运用理想电感和一个称为DCR的串联电阻来建模(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。


要在电感上进行感测,必须能够接触到电感的两端,并且必须在感测点和LTC297x感测接脚之间??入一个滤波器网路。滤波器网路是一个两级差分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,以使电容值小於1 μF。


LTC2971?LTC2972?LTC2974?LTC2975资料手册提供了关於选择RC值的指南。



图6 : 使用 2 极点低通滤波器的 DCR 电感感测
图6 : 使用 2 极点低通滤波器的 DCR 电感感测

DCR感测可实现电流的无损量测,但由於电感绕组电阻或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,但滤波器的性能高度不如图7所示。



图7 : 使用简化低通滤波器的 DCR电感感测
图7 : 使用简化低通滤波器的 DCR电感感测

PMBus配置

要利用PMBus命令配置LTC297x,可使用IOUT_CAL_GAIN命令设定分流电阻或电感DCR的标称值。对於铜线缠绕的电感,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命令设定铜的温度系数可补偿此误差。在产品数据手册中,该值的预设值为3900 ppm?。C。使用者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,此叁数可能会大幅改变。MFR_IOUT_CAL_GAIN_THETA表示热时间常数,可对其进行设定。


必须将温度感测器(二极体连接的双极性电晶体)靠近电感放置,以实现更准确的电流温度补偿。LTC2971?LTC2972?LTC2974?LTC2975元件具有连接到感测器的TSENSE接脚。


IMON

IMON接脚在许多稳压器(包括开关和线性)中越来越受欢迎。这些稳压器有一个电流感测输出接脚,藉此可监视稳压器的负载电流。IMON方法的优点在於它是无损的,并且无需担心共模电压,因为LTC297x ISENSE接脚不连接到VOUT。IMON接脚是单端输出讯号,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接脚允许用户选择电阻值,从而设定最大满载电压。


单端电压可以是比电流分流器或电感DCR两端产生的电压大很多的讯号。LTC2972和LTC2971元件甚至有一个配置位元来支援更大的讯号位准,其被称为imon_sense位元。该位元位於MFR_CONFIG命令中,是一个分页命令。



图8 : MFR_CONFIG 暂存器中的 IMON 位元
图8 : MFR_CONFIG 暂存器中的 IMON 位元

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。



图9 : PSM利用 IMON量测电流
图9 : PSM利用 IMON量测电流

一些稳压器将限流功能与IMON接脚结合,该接脚可称为IMON ? ILIM。请注意,所选的IMON电阻值不应使得IMON电压在满载时会启动限流电路。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接脚产生限流作用,可用於输出电流监视器。对於某些开关稳压器,该接脚可称为IMON,内建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。


输入电流感测

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进行量测。使用LTC2971 ? LTC2972 ? LTC2975量测IIN非常简单,因为这些元件原本就有将接脚连接到VIN电流路径中的感测电阻RSNS的能力。IIN_SNS接脚的直接接线以VIN电源为限,对於LTC2972?LTC2975而言,该值<15V;对於LTC2971而言,该值<60V。



图10 : VIN 电流和电压感测
图10 : VIN 电流和电压感测

无论是量测输出电流还是输入电源电流,都有一个用户可编程PMBus暂存器可将感测电压转换为电流。量测输入电源电流时,使用PMBus暂存器MFR_IIN_CAL_GAIN,然後便可从READ_IIN暂存器读取输入电源电流。



图11 : 用於 VIN 电流量测的 PMBus 暂存器
图11 : 用於 VIN 电流量测的 PMBus 暂存器

我们不仅可以量测电流,还可以量测电压。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。


LTC2971能够感测60V电源轨上的输入电源电流。IIN_SNS接脚可以直接连到电源输入上的感测电阻。对於24V以上的电源电压,建议使用降压稳压器通过VPWR接脚为LTC2971供电,如此可节省功率并避免LTC2971自发热。由於VPWR × IPWR会产生功耗,可能导致晶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感测高压VIN电流和电压
图12 : 使用LTC2971感测高压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能够感测输入电源的高端电流。


此特性允许管理器量测输入电源电流。LTpowerPlay对於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命令後,遥测视窗就会显示电能累计结果的即时曲线。


图13 : LTpowerPlay 绘制的即时电能图
图13 : LTpowerPlay 绘制的即时电能图

电表还会量测输入电源电压,因此也能够报告输入功率。由於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资讯。指标是输入功率(以瓦特为单位)的即时指示器,较小的五个刻度盘显示总累计电能,类似於家用电表。为方便起见,还提供了数位读数。



图14 : LTpowerPlay 中的电表
图14 : LTpowerPlay 中的电表

LTpowerPlay提供一个简单易懂的介面,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暂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於活动状态的总时间,显示为MFR_EIN_TIME暂存器。当单位从mJ变为J再到kJ时,GUI会自动更新所显示的SI首码。



图15 : 与输入电源电压、电流、功率和电能相关的遥测视图
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回读的所有遥测资料。暂存器是I2C ? PMBus字读取,但MFR_EIN暂存器除外,它是区块读取。


表3 遥测总结

暂存器名称

LTC2971/LTC2972/LTC2975

LTC2974

LTC2977/LTC2979/ LTC2980/LTM2987

READ_IOUT

?

?

 

READ_VOUT

?

?

?

READ_POUT

?

?

 

READ_IIN

?

 

 

READ_VIN

?

?

?

READ_PIN

?

 

 

MFR_EIN

?

 

 


1. 如果设定adc_hires位元,则READ_VOUT值以mV为单位返回。L11格式。


2. 区块读取,包括以mJ为单位的电能值和以ms为单位的经过时间。


(本文作者Michael Peters为ADI 资深应用工程师)


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