了解电源监视器精度

作者：Mark Thoren and Sal Afzal

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谨慎部分。但是，人们越来越强调将此功能引入产品本身，以便对功率、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安排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，提供电压、电流、功率和能量的运行时测量。其中包括LTC2945、LTC2946和LTC4151等独立监视器，或将这些功能与热插拔功能相结合的产品，如LTC4215 （用于+12V系统）、LTC4260 （用于+48V系统）和 LTC4261 （用于–48V系统）。所有这些设备本质上都充当“芯片上的万用表”，但它们的精度如何？

精度规格困境

所有这些产品都指定了其测量通道的总非调整误差（TUE），其中TUE是最坏情况下的误差，在所有过程参数和温度下测量，并将所有来源的误差组合到一个规格中。它通常被描述为满量程的百分比。

TUE通过提供所有条件下最坏情况误差的最大界限来简化初步误差分析，以单个数字表示。

然而，由于TUE是一个单一的规格，它经常导致对整个输入范围内的测量精度的混淆。通常，人们错误地假设TUE误差将在整个转换器的输入范围内发生，从而导致输入范围下限的严重不准确。以 LTC2946 能量监视器为例，ΔSENSE 通道的 TUE 规格规定为满标度的 0.6%。虽然此值对于接近满量程的输入可能很好，但对于小输入可能不可接受的。TUE只是故事的一部分 - 当输入小于满量程时，其他保证规格会将允许误差限制在较小的值。

为了阐明整个输入范围内的性能，必须了解各种ADC误差源。本文将以配置为 10.24A 电流测量的 LTC2946 为例，重点介绍与电源监视应用最相关的 DC 误差规格。电流检测通道是需要研究的最复杂的测量，因为它包括 LTC2946 的内部误差以及检测电阻器的容差，而电源电流是一个在系统操作期间可能变化很大的参数。

错误来源和规格

图 1 示出了 LTC2946 数据手册中的规格表。与我们的分析相关的规格包括TUE、满量程电压、LSB 步长、失调误差和 INL。

图1.LTC2946 规格表

这些规格包括 LTC2946 内部所有误差的贡献，包括 ADC、基准、电流检测运放 （用于 ΔSENSE 通道）和内部分压器 （针对 SENSE/V+DD通道）。图 2 示出了 LTC2946 以及一个外部 10mΩ、1% 容差检测电阻器的框图。

图2.LTC2946 显示信号链的框图

此分析的一个有用概念是传递函数的概念。这是SENSE和SENSE之间输入电压的映射+–引脚到数字输出代码。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，这些点之间存在完美的线性关系。每个代码转换比前一次转换正好高25μV。在这个完美的LTC2496中，永远不会有大于1LSB的误差1.下面描述的错误都偏离了这个理想。

1LTC2946 在 25μV 电压下实现了从代码 0 到代码 1 的理想转换。一些ADC经过修整，以在1/2 LSB输入下提供理想的转换。

图3.放大传递函数;图 3b：整个传递函数

失调误差决定了精确测量小电流的能力

失调是 LTC2946 的输出代码，当输入为零时产生。对于 LTC2946，该误差的最大值为 2.1LSB 或 52.5uV。这相当于 0.057% 的误差 – 大约是 TUE 规范的 10%。

图4.正负失调误差

请注意，偏移量可能是正数或负数。如果偏移量为正，则当输入为零时，输出代码将不为零。如果失调为负，ADC将在零处“箝位”或“供电轨”，并且输入端需要一些小电压才能产生非零输出。因此，必须使用施加到输入端的已知小电压来评估失调。从ADC读数中减去该电压以计算失调。考虑具有最差情况负失调的LTC2946;施加等于 10 LSB （250μV） 的电压将产生 7.9 LSB 的输出代码。从此输出代码中减去 10 LSB 得到 –2.1 LSB。类似地，对于具有正失调的LTC2946，输出代码将为12.1 LSB，减去10 LSB将产生+2.1LSB失调。

确实，施加该电压会允许其他误差源污染测量（增益误差、线性度），但选择测试电压时，失调误差仍然占主导地位，附加误差可以忽略不计。

失调对我们的 10.24A 应用的影响是，当零电流流过检测电阻器时，具有正失调的 LTC2946 可能指示电流高达 5.25mA，而具有负失调的 LTC2946 可能会继续读取零，直到 7.75mA 流过。当电流为零时，检测电阻的容差不会影响电流测量，并且对于小电流的影响很小。也就是说，LTC2946 失调是小电流的主要误差源。

满量程误差决定了精确测量大电流的能力

全标度误差是 LTC2946 输出代码中的误差，当在 SENSE 输入端施加一个 102.4mV 的理想全标度电压时产生该误差。全标度误差包括 LTC2946 内部的所有误差源：失调 （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，该输入电压将导致满量程输出：当输入为103mV时，具有负满量程误差的器件将输出代码4095，当输入为101.8mV时，具有正满量程误差的器件将输出代码4095。该规格可以“反转”，用完美的102.4mV输入产生的代码来表示。102.4mV的输入可以产生一个输出代码，指示最小值为101.8mV（输出代码4071）和最大值为103mV（输出代码4119）。

请注意，在最大情况下，输出代码将被“箝位”在4095，就像具有负偏移的器件的输出将被箝位在零一样。在这方面，满量程误差类似于失调误差，即满量程误差是满量程输入时的端点误差，而失调误差是零输入时的端点误差。LTC2946 的全标度误差规格为 ±0.58% -- 略低于 0.6% TUE 规格。

为什么 TUE 规格不是简单的 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。

在计算满量程误差对10.24A应用的影响时，必须考虑另一个误差源 - 检测电阻的容差。正好10.24A的电流流过1%容差的10mΩ电阻将产生低至10.24*0.01*0.99 = 92.16mV或高达10.24*0.01*1.01 = 103.42mV的电压。该电压中的误差将直接增加 LTC2946 的全标度误差，该误差随后将反映在输出代码中。因此，测量的电流可以低至10.24 * 0.99 * （0.9942） = 10.079A或高达10.24 * 1.01 * 1.0058 = 10.402A。当然，高位将被箝位在指示电流10.24A，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;任何高于此值的电流将继续输出代码 4095。

图5.满量程误差。

增益误差通常不如满量程误差有用

增益误差是理想传递函数与实际传递函数之间的斜率差，如图6a所示。它需要沿传递函数的两个点进行计算，最好靠近端点以考虑整个输入范围。作为数据手册规格，增益误差通常不如满量程误差用于直流电流和电压测量，因为当失调误差和满量程误差相等时，增益误差可能为零。如图6b所示，该器件具有失调误差、满量程误差但增益完美的器件的传递函数。

LTC2946 电流测量应用具有四个增益误差源。LTC2946 内部有三个：基准电压源、检测放大器的增益 20 和 ADC 本身。外部检测电阻的容差也直接影响电流测量的增益。

图 6a. 非零增益误差

图 6b. 零增益误差

增益误差未在 LTC2946 数据手册中单独指定。但是，可以使用以下公式进行估算：

增益误差 = 满量程误差 – 失调误差

考虑到失调和满量程误差的大小，增益误差是满量程误差规范中的主要术语。

积分非线性是传递函数与直线的偏差

积分非线性（INL）定义为代码转换与其理想转换点的偏差，不考虑失调误差和满量程误差，如图7所示。

图7.INL 错误

INL曲线的“形状”由ADC的架构决定。LTC2946 具有一个一阶三角积分 ADC，该 ADC 往往会产生因器件而异的定性相似的 INL 曲线。图8所示的典型INL曲线具有单个“弓形”，INL误差逐渐增加至传递函数中心附近的最大值。因此，虽然数据手册规范允许器件在距离任一端点仅几码的地方具有最大INL误差，但实际器件不会以这种方式运行。

图8.典型值 LTC2946 INL

LTC2946 的 2.5LSB INL 规格对典型电流监视应用的影响很小。在我们的10.24A示例应用中，2.5LSB相当于6.25mA，与失调误差相当，与161mA满量程误差相比微不足道。

将一切整合在一起

考虑我们的 10.24A LTC2946 示例，该电信板在没有处理数据时消耗 5A 电流，满负载时消耗 9A 电流。具有一个 10mΩ 电阻器的 LTC2946 用于实现 10.24A 全标度是一个不错的选择，为较高的电流瞬变留出了一定的空间。如果TUE是唯一指定的误差，则对于任何输入电流（包括检测电阻贡献的误差），测量误差可能高达164mA。在9A电流测量中，164mA的误差相当不错，约为实际电流的1.8%，误差将由检测电阻的1%容差决定。在5A时，164mA误差相当于实际电流的3.22%，仍然足以进行“健康状态”测量。但是，如果应用具有非常低的功耗休眠状态或其他消耗电流明显较小的工作模式，则164mA误差将很麻烦。

应用前面定义的其他规格表明，在低电流下，测量误差明显优于TUE规格。当电流为零时，检测电阻两端的电压为零，最大误差将由2.1LSB的失调规格决定。将此数字乘以25μV LSB得到52.5μV的失调，假设完美检测电阻为10mΩ，则最大误差为5.2mA。

同样，满量程下看到的最大误差将受到满量程误差的限制，并导致之前计算的161mA误差。

其余误差由INL引起，它导致传递函数偏离其端点之间的理想直线。LTC2946 针对 ΔSENSE 通道的 INL 规格为 2.5LSB 或 62.5μV。这意味着一个10mΩ检测电阻的误差为5.2mA。请注意，INL误差将沿传递函数的某个位置达到最大值（见图8），但对于接近零或满量程的输入，其贡献很小。

这意味着，对于10A应用，如果我们要引入1%电阻引入的误差，我们将以约6.3mA的精度测量低电流。小输入的主要误差是失调误差，而对于较大输入，则主导误差是 LTC2946 的全标度误差和检测电阻器的容差。

图 9 由本文档随附的方便的错误计算器电子表格生成。它计算器件输入范围内任何电压的预期最大误差。电子表格的输入包括 TUE、满量程误差、偏移误差和 INL。需要一个名为“INL构建率”的附加参数来估计INL的贡献。该参数以传递函数的百分比表示，允许INL误差从零尺度和满量程的零贡献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 将更接近地模拟实际 LTC2946。

图9.实际误差与星期二

电压测量精度

同样的分析也适用于电压测量。SENSE/V 的 0.4% TUE 规格+DD通道听起来像是电源输出的好数字;对于低压线性稳压器，1%被认为非常精确，考虑到大多数负载将接受36V至72V，48V电信电源的0.4%精度测量绰绰有余。但 48V 大约在 LTC2946 的 V 的中间在测量范围102.4V;如果 0.4% TUE 是唯一的规格，则对测量的相对影响将大约翻倍：

48V 测量误差 = 0.4% * （102.4 / 48V） = 0.8%

这对于 48V 电源来说仍然很好，但进入 SENSE / V 的 LTC2946 规格+DD通道和48V测量输入到电子表格中显示误差约为满量程的0.25%。

结论

总未调整误差是一种方便的精度规格，以单个数字表示。但是，了解所有精度规格对于了解整个输入范围内的预期测量误差至关重要。

审核编辑：郭婷