信号链基础知识：用子系统过流检测和监视重新审视系统级管理

作者：德州仪器 (TI) 感测业务拓展经理，Dan Harmon。
如果设计师想要尽可能地提高性能和用户体验，那么管理系统的热性能是现代电子系统中十分关键的内容。随着系统功能变得越来越强大，并且在很多情况下尺寸也越来越小，管理散热系统配置已经成为一项越来越具有挑战性的任务。对电流的监视能够很好地指示出可能存在的散热问题。目前，很多的集成商使用单个系统级熔丝或过流检测器来监视为系统供电的主电源。

从而在供电时做出涉及整个系统运行的决定，或者采取某些会影响系统运行的操作。虽然这种做法成本较低，但也使得系统无法优化性能。替代方法是在子系统或模块级执行分布式过流检测。这样可以使决策变得更加高效。这个分布式监视打消了用户在三方面的顾虑：
• 系统利用率和效率的问题
• 确定故障识别
• 减轻系统控制器在事件检测方面的负担

系统利用率和效率

在这里，系统集成商在通过监视子系统级电流来尽可能降低功耗的同时，想要最大限度地提高系统性能。为了更好的说明，我们以一个中央办公室的情景为例。

Figure 1

一个特有多个刀片服务器的服务器群示例

通过监视通信系统中某个服务器或通道内的每一台刀片服务器的负载电流，你能够了解那个模块的使用量何时增加或减少。在非峰值时间内，只启用一个单个卡片可以最大限度地降低功耗。在你监视单个卡片所消耗的电流时，你可以检测负载何时增加，并且相应地启用其它模块来提高系统功能，而同时也增加了功耗。通过监视每个子模块的负载电流，你可以在尽可能减少有源功耗的同时，启用合适数量的通信卡来优化用户访问体验。

确定故障识别

当任一故障被视为增加整个系统电流的原因时，可以使用一个系统范围的故障识别方法来关闭整个系统。虽然这也许对于关键系统保护或用户安全很重要，但它并不能够实现确定性模块关断和调试。确定性故障识别与系统级保护之间对比关系的一个示例就是接地故障断路器，或称为GFCI。在GFCI系统中，单个插座具有内置的故障识别和保护功能。这样可实现特定插座被禁用，而不是禁用熔丝或断路器上的整个电路。这样可实现更加快速和简单的故障识别，并有可能缩短调试周期时间，以及停机时间。

Figure 2

GFCI插座实现分布式故障识别的示例

本地化过流检测可以使系统管理控制器精确定位故障所在。这个控制器能够决定只关闭一个模块，还是关闭系统的绝大部分，又或者在最差的情况下关闭整个系统。由于维修人员知道问题所在，而不是逐一检查每个子系统，这些信息还可实现更快速的调试，并尽可能减少停机时间。此外，这还可以使一部分系统关闭等待维修的同时，剩余的系统仍然可以继续正常运行。

Figure 3

这幅图显示的是系统平衡仍然保持有效的同时，对一个刀片服务器的一部分进行维修

减轻事件检测负担

诸如德州仪器 (TI) INA300的经简化过流检测器件可被用作系统管理控制器的简单执行中断发生器。这就使系统管理控制器从不断轮询单个子系统的电流电平，并根据轮询结果进行决策的工作中解放出来。这就降低了对于系统管理控制器的总体处理要求，从而实现了更低的成本和功耗。

总结

分布式过流检测为系统集成商提供了更好的系统利用率和效率、更快速和准确的故障识别，并且能够减轻系统控制器的事件检测负担。为了将影响降到最低，需要实现方式非常简单、易于管理，并且要求极小封装。小型化和简化实现方式是在不增加系统复杂度或者不使系统变得更加庞大的同时，实现多个测量点的关键所在。
我们将在下次介绍采样率控制信号内的抖动是如何减少SAR-ADC ENOB的。我们期待着你的参与。

参考文献

• 接地故障断路器 (GFCI)，OSHA，美国劳工部
• 下载INA300数据表
• TI过流检测产品—在多个应用中防止过流，2014

关于作者

Dan Harmon是TI感测产品组的感测业务拓展经理。在他为TI服务的29年中，他支持了很多种技术与产品的开发，其中包括接口产品、成像模拟前端 (AFE)、以及电荷耦合器件 (CCD) 传感器。他还作为TI的USB-IF代表和TI USB 3.0推广小组主席。Dan获得了Dayton大学电子工程学士学位，以及阿灵顿德州大学电子工程硕士学位。

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