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使用PMBus数字电源系统管理器进行电流检测

星星科技指导员 来源:ADI 作者:Michael Peters 2022-12-14 16:25 次阅读

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FPGACPU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。

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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。

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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。

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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 电感直流电阻 伊蒙
准确性 非常好 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。

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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:

397541-eq-01.svg?la=en&imgver=1

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:<100 ppm/°C。

在I两端产生的最大差分检测电压意义引脚列在数据手册规格中。大多数LTC297x器件的差分电压限制为±170 mV。这为大多数应用提供了足够的范围。最大检测电压计算如下:V意义= R社交网络× I输出(最大).通常,首先确定最大检测电压,然后确定R社交网络电流感电阻计算如下:R社交网络= V意义/我输出(最大).最大检测电压为选择足够大的信号,但不会在输出路径中产生功耗问题或IR压降。50 mV至80 mV是一个很好的最大检测电压。选择电流检测电阻的物理尺寸,使其提供的功率耗散额定值大于检测电阻中计算的功率耗散:PD= R社交网络×(I输出(最大))2.

一种相关方法增加了一个以地为参考的电流检测放大器(CSA),以提供单端输出,该输出馈入管理器的电流检测引脚。这种方法通常用于对高于大多数LTC297x管理器的6 V限值的电源轨进行电平转换。CSA应具有良好的高端共模性能。通常从感测电源轨和GND为此类设备供电。 本文第 2 部分介绍了此方法的详细信息

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图5.用于更高电压轨的电流检测放大器。

ADI提供许多易于使用的非PSM μModule器件,占用空间小。PSM管理器是控制排序和监督它们的良好伴侣设备。大多数μModule器件具有内部电感器。但是,有些还集成了顶部反馈电阻,因此无法在反馈环路内添加外部分流电阻。应选择允许使用外部顶部反馈电阻的μModule器件,以实现最高的电压精度。®

电感直流电阻检测

DCR 检测是通过降压稳压器的输出电感器检测电流的方法。电感可以建模为理想电感和称为DCR的串联电阻(见图6)。这通常是高电流 (>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

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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)。

审核编辑:郭婷

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