用高壓I2C電流和電壓監(jiān)視器進(jìn)行測(cè)量

摘要：采用分立組件和其它電源監(jiān)視器的傳統(tǒng)實(shí)施方法在復(fù)雜性、功能或性能方面往往達(dá)不到要求，LTC4151提供一種簡(jiǎn)單但非常有效的方法來(lái)監(jiān)視電流、電壓和溫度。本文介紹了一個(gè)通用電源監(jiān)視器LTC4151如何應(yīng)對(duì)多種應(yīng)用的功能需求。
關(guān)鍵詞：電源監(jiān)視 ；高端檢測(cè) ；低端檢測(cè)；LTC4151

引言

　　由于今天電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的復(fù)雜性不斷提高，所以管理功耗和優(yōu)化總體效率變得更加重要。從工業(yè)和電信應(yīng)用到汽車和消費(fèi)電子產(chǎn)品的所有產(chǎn)品中，準(zhǔn)確的電源電壓和電流監(jiān)視對(duì)節(jié)省功率和保證可靠性都是至關(guān)重要的。

　　監(jiān)視至一個(gè)系統(tǒng)的電源輸入需要多種組件。為了測(cè)量電流，需要一個(gè)檢測(cè)電阻和放大器，而且如果放大器共模范圍擴(kuò)展到正的電源軌并將其輸出轉(zhuǎn)換到地是最方便的。需要精確電阻分壓器來(lái)測(cè)量電壓，而且如果有多于 1 個(gè)電壓要監(jiān)視，那么還必須給這個(gè)組件表增加一個(gè)多路復(fù)用器。下一個(gè)是具有精確基準(zhǔn)和一些與微處理器連接途徑的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，同時(shí)也許與相鄰 IC 共享 I/O 線。由于找到合適組件的總體復(fù)雜性和困難，電源監(jiān)視最好的方法就是集成式解決方案。

　　LTC4151 為發(fā)揮這一作用而開(kāi)發(fā)。它含有形成一個(gè)完整電源監(jiān)視系統(tǒng)所需的功能構(gòu)件 (參見(jiàn)圖 1)。它在 7~80V 的范圍內(nèi)工作，同時(shí)監(jiān)視電源軌的電流、它自己的電源電壓和一個(gè)附加的電壓輸入。為實(shí)現(xiàn)靈活性，檢測(cè)電阻是外部的，從而允許 LTC4151 準(zhǔn)確地監(jiān)視范圍從 mA 到 A 或更大的電流。該 ADC 具有 12 位分辨率和 1% 的總未調(diào)整電壓誤差以及 1.25% 總未調(diào)整電流誤差。外部 ADIN 輸入的總未調(diào)整誤差 (TUE) 僅為 0.75%。數(shù)字通信通過(guò) I2C 進(jìn)行，有 9 個(gè)設(shè)備地址選擇。


圖1  簡(jiǎn)化的 LTC4151 方框圖

　　由于寬工作范圍，LTC4151 在從電信到汽車的系統(tǒng)中很有用。通過(guò)在一個(gè)單芯片解決方案中集成所有必需的功能構(gòu)件，電源監(jiān)視在分立解決方案由于空間或成本而不可能的應(yīng)用中變得切實(shí)可行了。

簡(jiǎn)單與復(fù)雜

　　LTC4151 應(yīng)用于很多復(fù)雜、空間受限和低壓的應(yīng)用，包括 RAID 系統(tǒng)、電信和工業(yè)計(jì)算機(jī)/控制系統(tǒng)。幸運(yùn)的是，這個(gè)器件僅需要少數(shù)簡(jiǎn)單連接，并采用了小型 MS10 或纖巧 3mm x 3mm DFN 封裝。視系統(tǒng)而定，該監(jiān)視 IC 可位于背板或可插拔板卡上；圖 2 是后者的一個(gè)例子，顯示 LTC4151 監(jiān)視至 12V DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入電流和電壓。這里，低壓輸入 ADIN 用來(lái)測(cè)量該轉(zhuǎn)換器的 5V 輸出，而 I2C 直接連接到微處理器。所需要的外部組件僅為一個(gè)檢測(cè)電阻和兩個(gè)總線上拉電阻。


圖 2  LTC4151 在 12V 應(yīng)用中使高端檢測(cè)變得簡(jiǎn)單

　　LTC4151 提供相對(duì)簡(jiǎn)單直接的連接，同時(shí)遠(yuǎn)離與低端檢測(cè)有關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。由于固有的簡(jiǎn)單性，低端檢測(cè) (檢測(cè)電阻與負(fù)載地串聯(lián)) 是一個(gè)有吸引力的監(jiān)視電源電流的方法。通過(guò)允許 ADC 直接測(cè)量檢測(cè)電阻的壓降，或用一個(gè)簡(jiǎn)單的前置放大器，它去除了對(duì)特殊放大器的需求。不幸的是，極少有負(fù)載真正以這種方式浮動(dòng)而允許接地通路開(kāi)路。這個(gè)電路還帶來(lái)一種潛在安全危害，因?yàn)橐粋€(gè)出故障或斷接的低端檢測(cè)電阻允許負(fù)載地升高至滿電源電壓。

　　由于這些原因，幾乎總是優(yōu)先選擇高端檢測(cè)，然而高端檢測(cè)很難實(shí)現(xiàn)。這是因?yàn)?ADC 必須測(cè)量連接到正軌的檢測(cè)電阻兩端的壓降，該正軌常常為遠(yuǎn)超出 ADC 本身范圍的電壓。此外，小的檢測(cè)電阻壓降 (在這種情況下為 20mV/A) 就一個(gè) 12 位轉(zhuǎn)換器而言太小，因?yàn)閯?dòng)態(tài)范圍的大部分都浪費(fèi)了。需要一個(gè)特殊放大器，一個(gè)能檢測(cè)高正電壓軌同時(shí)給以地為基準(zhǔn)的 ADC 提供輸出的放大器。LTC4151 不僅解決了在高壓軌測(cè)量的問(wèn)題，而且由于檢測(cè)放大器的 25 倍增益，該 12 位轉(zhuǎn)換器還完成了 16-1/2 位轉(zhuǎn)換器的工作。

“正壓”非常出色

　　高端電流監(jiān)視的問(wèn)題由于電源電壓提高而加重。LTC4151 具有本身值得注意的規(guī)格，考慮一下其它監(jiān)視解決方案是多么棘手和受限，而 LTC4151 以高達(dá) +80V 工作！

　　就 7V 至 80V 的電源而言， LTC4151 保持高精確度，從而涵蓋具有 12V、24V 或 48V 電源電壓的應(yīng)用，包括服務(wù)器、海量存儲(chǔ)設(shè)備和很多其它系統(tǒng)。圖 3 顯示了在一個(gè) 48V 應(yīng)用中的 LTC4151。ADIN 通過(guò)測(cè)量一個(gè)二極管的壓降監(jiān)視溫度。電源引腳的絕對(duì)最大電壓和兩個(gè)檢測(cè)輸入引腳是 90V，這幫助該 IC 耐受高壓瞬態(tài)而不被損壞。這種寬輸入電壓范圍允許 LTC4151 直接連接到高壓電源，而無(wú)需第二個(gè)電源。

圖 3  LTC4151 在 48V 應(yīng)用中監(jiān)視電流、電壓和溫度

　　高壓應(yīng)用會(huì)歡迎 LTC4151 提供的準(zhǔn)確度。測(cè)量 SENSE 引腳上的電流時(shí)，最大總的未調(diào)整誤差(TUE) 為 ±1.25%。滿標(biāo)度電流檢測(cè)電壓為 81.92mV，且具有 20uV/LSB 的分辨率。這種準(zhǔn)確度就大多數(shù)應(yīng)用而言是足夠充分的，就算這不是好于分立解決方案的準(zhǔn)確度，也是可與其比較的。通過(guò)內(nèi)部精確衰減器測(cè)量 VIN 上的電壓時(shí)，TUE 為 ±1%，且具有 102.4V 的滿標(biāo)度電壓和 25mV/LSB 的分辨率，從而在更低和更高的電壓上提供足夠的分辨能力。最后，在 ADIN 引腳獲取電壓讀數(shù)時(shí)，TUE 為 ±0.75%，且具有 2.048V 的滿標(biāo)度電壓和 25mV/LSB 的分辨率。這些準(zhǔn)確度數(shù)字在 -40°C 至 85°C 的工業(yè)溫度范圍內(nèi)都是有效的。

某些“負(fù)壓”也可接納

　　有些應(yīng)用，尤其在電信系統(tǒng)中，于負(fù)電壓工作并消耗大量電流，在這類應(yīng)用中，電源監(jiān)視也許不那么簡(jiǎn)單直接。LTC4151 能夠很平等地監(jiān)視正和負(fù)電壓。盡管 LTC4151 具有一個(gè)停機(jī)引腳以在低功率應(yīng)用中將靜態(tài)電流降至 120uA (在 12V)，但是 LTC4151-1 版本用提供簡(jiǎn)單光隔離的第二個(gè) I2C 數(shù)據(jù)引腳取代了這個(gè)引腳，從而方便了該器件在高負(fù)壓應(yīng)用中的使用。光耦合器的使用允許主控制器位于來(lái)自電源監(jiān)視器的不同地電平上。

　　圖 4 顯示 LTC4151-1 如何連接到一個(gè) -48V AdvancedTCA (ATCA) 應(yīng)用中的光耦合器。一條分路 I2C 數(shù)據(jù)線、SDAI (數(shù)據(jù)輸入) 引腳和獨(dú)特的 SDAO# (負(fù)數(shù)據(jù)輸出) 引腳方便地消除了為雙向傳輸和數(shù)據(jù)接收而使用 I2C 分路器或合并器的需求。由于所有 I2C 信號(hào)都被箝位，而且上拉電阻都能夠直接連接到 -48V 電源，所以也消除了對(duì)一個(gè)單獨(dú)上拉電源的需求。注意，Vin 端的電壓在檢測(cè)電阻的上行側(cè)測(cè)量，以實(shí)現(xiàn)更高的準(zhǔn)確度，而且假定 LTC4151-1 的靜態(tài)電流在與 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的負(fù)載相比時(shí)可以忽略不計(jì)，轉(zhuǎn)換器負(fù)載就 ATCA 應(yīng)用而言通常在安培量級(jí)。該圖還顯示怎樣能用 ADIN 引腳來(lái)利用一個(gè)熱敏電阻測(cè)量線路板溫度。

圖 4   LTC4151 與 -48V ATCA 應(yīng)用中的隔離勢(shì)壘連接

　　不管一個(gè)應(yīng)用是否需要隔離，LTC4151 都在返回來(lái)向輪詢主機(jī)報(bào)告時(shí)提供一些便利的功能。I2C 接口具有一個(gè)阻塞總線復(fù)位定時(shí)器，該定時(shí)器復(fù)位內(nèi)部 I2C 狀態(tài)機(jī)，以在 I2C 信號(hào)保持低電平超過(guò) 33ms (阻塞總線狀態(tài)) 時(shí)允許恢復(fù)正常通信。除此以外，LTC4151 還可以連續(xù)或以單個(gè)瞬像模式報(bào)告數(shù)據(jù)。在連續(xù)掃描模式，LTC4151 以 7.5Hz 的刷新率順序測(cè)量 SENSE 引腳之間、VIN 和 ADIN 端的電壓。在瞬像模式，主控制器指示 LTC4151 在任何信號(hào)端執(zhí)行一次性測(cè)量，非常適用于僅需要偶爾測(cè)量輸入電源的應(yīng)用。I2C 接口和兩種報(bào)告模式一起使 LTC4151 非常適合于數(shù)字電源監(jiān)視。

結(jié)論

　　LTC4151 是一個(gè)通用型電源監(jiān)視器，具有幫助應(yīng)對(duì)種類繁多應(yīng)用的功能。采用分立和其它電源監(jiān)視器的傳統(tǒng)實(shí)施方案在復(fù)雜性、功能性或性能方面往往達(dá)不到要求，但是 LTC4151 通過(guò)提供一個(gè)簡(jiǎn)單且非常有效的方法以監(jiān)視電流、電壓和溫度，從而有能力應(yīng)對(duì)這種情況。包括內(nèi)部檢測(cè)放大器、增量累加 ADC 和 I2C 接口在內(nèi)的高性能基本構(gòu)件確保數(shù)字讀數(shù)準(zhǔn)確和精確。高壓應(yīng)用可以利用 90V 絕對(duì)最大額定值，同時(shí)該 IC 的全部靈活性適用于用戶監(jiān)視負(fù)電壓，包括一個(gè)方便隔離的選項(xiàng)。確實(shí)，LTC4151 的好處難以量度，因?yàn)樗试S設(shè)計(jì)師在實(shí)現(xiàn)一個(gè)可靠的電源監(jiān)視電路上花更少的時(shí)間，因此實(shí)現(xiàn)這樣的電路不再是一個(gè)難以承擔(dān)的任務(wù)了。

參考文獻(xiàn)：

[1]Reyes D.Power Monitor for Automotive and Telecom Applications Includes ADC and I2C Interface[R]. Linear Technology，2008
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