了解功率监视器的精度规格对于测量的重要性

在最终工厂测试期间（部署到现场之前）测量系统的功耗是任何产品测试程序的一个谨慎部分。但是越来越强调将此功能引入产品本身，以便对电源，电流，电源电压和能量进行“运行时”监控。准确监控这些参数可为调度维护和预测故障提供有价值的诊断信息。它还可以帮助确保“绿色”系统满足其低功耗目标。凌力尔特提供一系列产品，可提供电压，电流，功率和能量的运行时间测量。其中包括独立监视器，如LTC2945，LTC2946和LTC4151，或将这些功能与热插拔功能相结合的产品，如LTT4215（用于+ 12V系统），LTT4260（用于+ 48V系统）和LT424261（用于-48V系统） 。所有这些设备基本上都是“芯片上的万用表”，但它们有多准确？

精度规格困境

所有这些产品都指明其测量通道的总不可调整误差（TUE），其中TUE是最坏情况误差， 在所有过程参数和温度下测量，并包括来自所有源的错误，并将其组合到单个规范中。它通常被描述为满量程的百分比。

TUE通过在单个数字表示的所有条件下提供最坏情况误差的最大界限来简化初步误差分析。

然而，由于TUE是单一规格，因此通常会导致对测量的混淆整个输入范围内的精度。通常会错误地假设TUE误差将在转换器的整个输入范围内发生，从而导致输入范围下端的严重不准确。以LTC2946能量监测器为例，ΔSENSE通道的TUE规格指定为满量程的0.6％。虽然这个值对于满量程附近的输入可能没问题，但对于小输入可能是不可接受的。 TUE只是故事的一部分 - 当输入小于满量程时，其他保证规范会将允许误差限制为较小的值。

为了阐明输入范围内的性能，了解各种ADC误差源是必要的。本文将以配置10.24A电流测量的LTC2946为例，重点关注与电源监控应用最相关的DC误差规范。电流检测通道是研究中涉及最多的测量，因为它包含LTC2946内部的误差以及检测电阻的容差，而电源电流是一个在系统运行期间可能变化很大的参数。 p>

错误来源和规格

图1显示了LTC2946数据手册中的规格表。与我们的分析相关的规格是TUE，满量程电压，LSB步长，偏移误差和INL。

这些规范包括LTC2946内部所有误差的贡献，包括ADC ，参考，电流检测运算放大器（用于ΔSENSE通道）和内部分压器（用于SENSE + / V DD 通道）。图2显示了LTC2946的框图，以及外部10mΩ，1％容差检测电阻。

此分析的一个有用概念是传递函数的概念。这是SENSE + 和SENSE - 引脚之间的输入电压到数字输出代码的映射。图3显示了一个假设的完美传递函数，其中零输入产生零计数的输出代码，102.4mV的满量程输入产生4095计数的输出代码，并且这些点之间存在完美的线性关系。每个代码转换恰好比先前的转换高出25μV。在这个完美的LTC2496中，永远不会有大于1LSB 1 的误差。接下来描述的错误都是偏离这种理想的。

1 对于LTC2946，从代码0到代码1的理想转换发生在25μV。一些ADC经过调整，可在½LSB输入端实现理想的转换。

偏移误差决定了精确测量小电流的能力

偏移是输入为零时LTC2946的输出代码。对于LTC2946，此错误的最大值为2.1LSB或52.5uV。这相当于0.057％的误差 - 约为TUE规格的10％。

请注意，偏移量可能为正或负。如果偏移为正，则输入为零时输出代码将为非零。如果偏移为负，则ADC将被“钳位”或“限制”为零，并且输入端需要一些小电压才能产生非零输出。因此，必须使用应用于输入的小的已知电压来评估偏移。从ADC读数中减去该电压以计算偏移。考虑具有最坏情况负偏移的LTC2946;施加等于10 LSB（250μV）的电压将导致输出代码为7.9 LSB。从此输出代码中减去10个LSB会产生-2.1 LSB。类似地，对于具有正偏移的LTC2946，输出代码将为12.1 LSB，减去10 LSB将导致+ 2.1LSB偏移。

确实，施加此电压允许其他误差源污染测量（增益误差，线性度），但选择测试电压，使偏移误差仍占主导地位，其他误差可忽略不计。

偏移对我们的10.24A应用的影响是，当零电流流过检测电阻时，具有正偏移的LTC2946可能指示高达5.25mA的电流，具有负偏移的LTC2946可能继续读零直到7.75mA流动。当电流为零时，检测电阻的容差不会影响电流测量，对小电流的影响最小。也就是说，LTC2946偏移是小电流的主要误差源。

满量程误差决定了准确测量大电流的能力

完全 - 标度误差是LTC2946输出代码中的误差，当在SENSE输入上施加理想的102.4mV满量程电压时会产生该误差。满量程误差包括LTC2946内部的所有误差源：偏移（如前所述），增益误差和INL（稍后定义）。检测输入的满量程误差是根据输入电压指定的。导致满量程输出：当输入为103mV时，具有负满量程误差的部分将输出4095的代码;当输入为101.8mV时，具有正满量程误差的部分将输出4095的代码。该规范可以“反转”以用完美的102.4mV输入产生的代码表示。输入102.4mV可能产生一个输出代码，表示最小值为101.8mV（输出代码为4071）和最大值为103mV（输出代码为4119）的值。

注意在最大的情况下，输出代码将被“钳制”在4095，就像具有负偏移的部分的输出将被钳位在零的方式相同。在这方面，满量程误差类似于偏移误差，即满量程误差是满量程输入时的端点误差，而偏移误差是零输入时的端点误差。 LTC2946的满量程误差规格为±0.58％ - 略低于0.6％的TUE规格。

为什么TUE规格不是0.58％？ TUE规范允许的额外0.02％误差允许传递函数的非线性，这将在稍后讨论。

必须考虑一个额外的误差源来计算满量程误差对我们的影响。 10.24A应用 - 检测电阻的容差。流过1％容差，10mΩ电阻的精确10.24A电流将产生低至10.24 * 0.01 * 0.99 = 92.16mV或高达10.24 * 0.01 * 1.01 = 103.42mV的电压。此电压的误差将直接增加到LTC2946的满量程误差，然后将反映在输出代码中。因此，测得的电流可以低至10.24 * 0.99 *（0.9942）= 10.079A或高达10.24 * 1.01 * 1.0058 = 10.402A。当然，高电压情况将被钳位在10.24A的指示电流，因此我们可以计算产生满量程输出代码的实际电流：101.8mV /（0.01 * 1.01）= 10.079A;高于此值的任何电流将继续输出4095的代码。

增益误差通常不如满量程误差

增益误差是理想传递函数与实际传递函数之间的斜率差异如图6a所示。它需要沿传递函数计算两个点，最好接近端点以考虑整个输入范围。作为数据表规范，增益误差通常不如直流电流和电压测量的满量程误差有用，因为当偏移和满量程误差相等时，可能会出现零增益误差。图6b说明了这一点，它显示了具有偏移误差，满量程误差但是完美增益的器件的传递函数。

LTC2946电流测量应用有四个增益误差源。 LTC2946内部有三个：参考电压，读出放大器的增益为20，以及ADC本身。外部检测电阻的容差也直接影响电流测量的增益。

LTC2946数据手册中未单独指定增益误差。但是可以使用以下公式估算：增益误差=满量程误差 - 偏移误差

注意偏移和满量程误差的大小，增益误差是满量程误差规范中的主导项。

积分非线性是传递函数与直线的偏差

积分非线性（INL）定义为代码转换与理想转换点的偏差，不考虑偏移误差和满量程误差，如图7所示。

INL曲线的“形状”由ADC的架构决定。 LTC2946具有一阶Δ-ΣADC，它倾向于产生INL曲线，这些曲线在不同器件之间具有相似的性质。图8中所示的典型INL曲线具有单个“弓形”，INL误差在传递函数的中心附近逐渐建立到最大值。因此，虽然数据表规范允许器件具有最大INL误差，但只有几个代码远离任一端点，但实际器件不会以这种方式运行。

LTC2946的影响2.5典型电流监测应用中的LSB INL规范很小。在我们的10.24A示例应用中，2.5LSB相当于6.25mA，与偏移误差相当，与161mA满量程误差相比无关紧要。

全部放在一起

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考虑我们在电信板上的10.24A LTC2946示例，在没有数据处理时吸收5A，在满负载下吸收9A。 LTC2946具有10mΩ电阻，适用于10.24A满量程，非常适合，为更高的电流瞬变留出一些空间。如果TUE是唯一指定的误差，对于任何输入电流（包括由检测电阻器产生的误差），测量误差可能高达164mA。在9A电流测量中，164mA的误差相当好，约为1.8％实际电流，误差将由检测电阻的1％容差决定。在5A时，164mA误差将代表实际电流的3.22％，仍然足以用于“健康状态”测量。但是，如果应用具有非常低的功耗睡眠状态或其他工作模式，可以消耗更少的电流，那么164mA的误差是很麻烦的。

应用之前定义的其他规格表明测量误差要好得多低电流下的TUE规格。电流为零时，检测电阻上的电压为零，最大误差将由2.1LSB的偏移规范决定。将此数字乘以25μVLSB可得到52.5μV的偏移，假设完美的检测电阻为10mΩ，则最大误差为5.2mA。

同样，满量程时出现的最大误差也是有界的通过满量程误差并导致先前计算出的161mA误差。

剩余误差是由INL引起的，导致传递函数偏离其终点之间的理想直线。 LTC2946的ΔSENSE通道的INL规格为2.5LSB或62.5μV。对于10mΩ检测电阻，这意味着5.2mA的误差。请注意，INL误差将在传递函数的某个位置处于最大值（参见图8），但对于接近零或满量程的输入，其贡献将很小。

这意味着，对于10A应用，如果我们引入1％电阻引入的误差，我们将测量低电流，精度约为6.3mA。小输入的主要误差是偏移误差，对于较大的输入，LTC2946的满量程误差和检测电阻的容差。

图9是由一个方便的误差计算器电子表格生成的。文献。它计算器件输入范围内任何电压可预期的最大误差。电子表格的输入是TUE，满量程误差，偏移误差和INL。需要一个称为“INL构建率”的附加参数来估计INL的贡献。该参数表示为传递函数的百分比，允许INL误差从零刻度和满刻度的零贡献构建到接近传递函数中心的最大值。输入零值将产生更保守的结果;输入值30将更接近真实LTC2946的模型。

电压测量精度

同样的分析也适用于电压测量。 SENSE + / V DD 通道的0.4％TUE规格听起来像电源输出的良好数字;对于低压线性稳压器，1％被认为是非常精确的，并且48V电信电源的0.4％精确测量是足够的，考虑到大多数负载将接受36V至72V。但48V大约在LTC2946的V IN 测量范围102.4V的中间;如果0.4％TUE是唯一的规格，那么对测量的相对影响将大约是两倍：

48V测量误差= 0.4％*（102.4 / 48V）= 0.8％

对于48V电源仍然有效，但输入SENSE + 的LTC2946规范/ V DD 通道和电压表中48V的测量输入显示误差约为满量程的0.25％。

结论

Total Unadjusted Error是一个方便的精度规格，表示为单个数字。但是，了解所有精度规格对于了解整个输入范围内的测量误差至关重要。