使用PMBus数字电源系统管理器进行电流检测

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FPGA、CPU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。

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。

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。

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。

 

	分流电阻器	电感直流电阻	伊蒙
准确性	非常好	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。

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：

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。

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

 

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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