带有校准输入的热插拔控制器，精确监测两路负载电流 - 全文

本应用笔记介绍如何利用MAX5977热插拔控制器和单路ADC，准确监测两个不同量程的负载电流：大功率主系统电流和低功率辅助系统电流。MAX5976集成MOSFET功率开关，为辅助系统提供简单、高性价比功率控制。尽管MAX5977组合了两个不同“域”的监测功能，但两个“域”的保护和控制完全独立，提高了可靠性和安全性。

引言

当存储、处理或网络接口卡用于高可用性(始终保持工作状态)系统时，必须采用热插拔控制器。负载卡插入系统或从系统拔出时，这种热插拔电路控制其电源的打开和关闭。它还防止系统在板卡故障条件下发生过流。一些更先进的热插拔控制器还具有负载电压、电流监测功能，可用于计算负载功率。这种信息对于优化效率、制冷及分配有限的电源输出非常有用。

随着板卡设计规模越来越大、系统越来越复杂，把输入与板卡之间的功率划分为两级或多级“域”有助于系统监测，其中一个“域”作为辅助电源监测，功率要求比较小；另一个“域”则为板卡的主电源供电。这种方法允许辅助电源首先启动，最后关闭；而大功率“域”则独立控制。如果需要功率监测和计量，将电源分为两个“域”时需要采用两路独立的热插拔控制器(或至少一个双通道控制器)，以便测量两个“域”的功率。

本应用笔记介绍了如何利用MAX5977热插拔控制器和一路ADC，精确监测两个独立“域”的负载电流，而MAX5976集成的MOSFET功率开关为辅助“域”的电源控制提供了简单、高性价比方案。

MAX5977校准功能

Maxim的MAX5977能够支持热插拔控制器常见功能，驱动高边n沟道MOSFET开关控制导通压摆率，并保护过流。此外，MAX5977还具有高精度电流检测跨导放大器，增益为2500µA/V，将检测信号馈送到外部ADC，进行负载电流监测。为了精确校准电流检测系统，MAX5977可以将其跨导放大器的输入切换到“校准检测”输入。该功能由CAL输入控制。

CAL为逻辑低时，电流检测放大器检测IN和SENSE之间的电压，于是在CSOUT输出一路等于(V_IN - V_SENSE) × 2500µA/V的电流，用于正常工作模式下的电流监测。然而，如果CAL被驱动为逻辑高，MAX5977将电流检测放大器的负输入切换至CALSENSE，于是CSOUT电流等于(V_IN - V_CALSENSE) × 2500µA/V。如果在IN和CALSENSE之间加一个精密电压，该模式可用于采集数据，用于放大器和ADC的增益和漂移校准。MAX5977的这种典型应用如图1所示，其中用精密流入电流源和校准电阻建立CALSENSE信号。


图1. MAX5977典型应用，带有满幅电流检测校准信号。

 

测量两个电源域的电流

因为MAX5977的校准功能本质上是一个用于精密电流检测放大器的输入复用器，所以只要两个电阻被连接于一个共用IN电位，就可将其用于交替测量电流检测电阻。图2所示为一个基本应用电路。主电流检测电阻连接至SENSE输入，辅助(内务域)检测电阻连接至CALSENSE输入。所以可独立测量两个域的负载电流。MAX5977为高功率域提供控制和保护，简单集成的负载开关(例如MAX5976)，控制和保护低功率内务域。


图2. MAX5977用于双域电流监测的应用电路。

微控制器采集和处理被ADC数字化的负载电流数据，ADC可为外部或集成至微控制器本身。为了测量主电流，微控制器驱动CAL为低电平，短暂等待CSOUT达到稳定，然后命令ADC进行转换并报告结果。同样，为了测量辅助输入，微控制器将CAL驱动为高电平，重复相同的基本序列。

因为两个域的跨导输出信号共用同一CSOUT、增益设置电阻，所以应选择辅助和主电流检测电阻的值来简化定标或提供最佳分辨率。

为了简化定标及主和辅助电流求和，检测电阻应采用相同值。这样就允许两个电流测量值直接求和，确定两个域的总电流。

为了获得最佳分辨率，两个电流检测信号应有相同的满幅输出电压送至ADC。选择的主和辅助检测电阻的值与两个域的最大负载电流具有相同的比值，可很容易实现这一目的：

I_{MAIN (max)}/I_{AUX (max)} = R_CALSENSE/R_SENSE

这可确保两个域在满荷条件下在CSOUT上的满幅输出相同。例如，图1电路的主通路采用1mΩ，辅助通路采用20mΩ，意味着满荷主电流将为满荷辅助电流的20倍。

作为方便求和与获得良好分辨率的折中方案，选择的辅助检测电阻可为主检测电阻的2的整次方倍。该倍数应近似为以上所述的最大负载电流比值。采用这种方法，微控制器中简单的二进制左移位操作即可将主电流转换结果缩放为相同单位的辅助电流结果。

 

定时和采样

图3中的MAX5977驱动40.0kΩ CSOUT电阻，CAL以20kHz开关。本例中，V_IN - V_SENSE = 5mV，V_IN - V_CALSENSE = 25mV。CAL为低电平时，V_CSOUT为5mV × 2500µA/V × 40.0kΩ = 500mV；CAL为高电平时，V_CSOUT = 25mV × 2500µA/V × 40.0kΩ = 2500mV。这些电平分别对应于2.5V ADC满幅输出的的20%和100%。原始CSOUT信号在CAL上升或下降沿的10µs内能很好地稳定。当增加MAX4236精密放大器来调理和缓冲高阻CSOUT信号时，其0.3V/µs的典型输出摆率足以提供近似的相同稳定时间。

 

图3a. 原始VCSOUT稳定时间。

图3b. 采用缓冲器时的稳定时间。

应用中可能会采用MAX1393真差分、12位SAR ADC数字化经缓冲的CSOUT信号。对于SPI™驱动ADC，一次转换需要16个串行总线时钟周期。在2MHz串行数据率下，可在8µs内完成转换。实际上，因为该ADC采用了采样-保持输入电路，所以实际转换可能发生在CAL输入被切换且CSOUT稳定至新值时。图4所示为缓冲CSOUT信号及以10ksps为采样每路信号提供串行数据时钟定时的例子。


图4. MAX1393 ADC为两个电源域采样负载电流，均为10ksps。
 

优势

使用MAX5977校准功能测量两路不同的电流通路具有多项优势。

校准功能本身无需外部复用器，能处理检测电阻处的高共模电压，降低了尺寸和复杂性。仅需一个ADC，大大降低了方案的成本。因为两种测量使用相同的电流检测放大器和增益设置电阻，所以两个域的测量精度相同。如果希望对电流检测信号滤波，可围绕缓冲放大器实现，仅需一组滤波器元件。

该方案还增加了灵活性，因为微控制器可根据情况分配测量主和辅助电流的时间和资源。例如，可交替测量两个域。或者系统可主要集中于测量和监测主通路，仅仅偶尔“抽检”辅助通路。也就是说，可根据工作状态在主和辅助通路之间分配系统的监测“带宽”。

尽管MAX5977组合了两个域的监测功能，但两个域的保护和控制是完全独立的，提高了可靠性和安全性。

总结

与专用的电流检测放大器相比，MAX5977的校准功能非常独特，MAX5977热插拔和电子断路器功能组合尤其值得注意。它不仅可用于实现在线校准，而且亦可用于测量两个独立电源域的负载电流，简化高可靠性负载卡的设计和工作。