使用78M6610+PSU能量测量处理器进行系统内校准

78M6610+PSU 是一款能量测量处理器，嵌入在大功率开关模式电源单元 （PSU） 中，用于测量和报告系统使用的实时功率。与任何测量设备一样，与78M6610 + PSU一起使用的检测电路必须经过校准，然后才能将其测量视为准确。本应用笔记演示了如何使用78M6610+PSU校准测量子系统。

介绍

78M6610+PSU为电压和电流测量的系统内校准提供了自动化例程，以考虑电压和电流测量信号链组件中的系统间变化。对于交流测量，执行单点校准以计算系统的正确电流和电压增益设置。新计算的增益可以作为新的默认值存储在片上闪存中。电压或电流输入的任何直流分量都由78M6610+PSU固件中实现的数字高通滤波器去除;因此，不需要或执行直流失调校准。

本应用笔记介绍了78M6610+PSU电压和电流测量的校准程序和比例。请注意，这些过程仅与固件版本 CB26 相关，对于未来版本可能会有所不同。

78M6610+PSU数据手册和78M6610+PSU评估套件用户手册提供了补充本应用笔记的其他信息。

这里给出的示例假设电阻分压器用于电压检测，分流电阻用于电流测量。所使用的传感器类型不会改变校准程序，但未提供其他传感器类型的示例。使用标准78M6610+PSU评估（EV）套件提供的GUI和电路板的校准程序的实际示例显示在使用78M6610+PSUEVK的校准程序示例部分。

缩放值

为了校准电压和电流测量值，并允许78M6610+PSU执行正确的功率计算，用户必须首先设置正确的缩放值，以匹配所选传感器和LSB尺寸。

固件提供电流、电压、功率和频率的缩放寄存器。对于前三个（电流、电压和功率），这些缩放寄存器具有两个功能：

设置测量的预期满量程值。

设置报告值的分辨率或最低有效位 （LSB） 值。

对于最后一项（频率），缩放参数不定义满量程值，但会设置分辨率。

确定缩放值

为缩放寄存器选择的值由 78M6610+PSU 的模数转换器 （ADC） 的输入范围、目标系统或评估 （EV） 板上实现的传感器和输入信号调理电路以及 78M6610+PSU 数据字的长度决定。

模数转换器输入范围

78M6610+PSU ADC 的输入范围为 ±250mV，参考 3.3V 电源 （V3P3A).确定电压和电流缩放值的第一步是确定峰值输入电压和电流（在传感器输入端），该峰值电压和电流在250M78+PSU的ADC输入端产生±6610mV峰值。请考虑以下示例。

78M6610+PSU评估板具有用于线路电压测量的分压器，由两个1MΩ电阻和一个750Ω电阻串联组成，如图1所示。

图1.用于入口电压检测的分压器。

线路电压施加在整个电阻链上。ADC输入是750Ω电阻两端的电压。ADC输入端的电压，V模数转换器，可以计算为：

 

VADC = VLINE × (750/(750 + 2 × 106))

（公式1）

 

这会将输入线路电压调整为 0.000375 倍。使用此分压器，78M6610+PSU 可以测量的最大电压为：

因此，该分压器的最大输入电压为±667V峰或 472V有效值，假设为正弦电压波形。

对于电流测量，78M6610+PSU评估板使用0.004Ω分流电阻。在该电阻两端产生±250mV压降的电流幅度为：

4mΩ分流器可测量的最高峰值电流为62.5A。对于正弦电流波形，这相当于 44.19A有效值.在确定要测量的最大电流时，有必要考虑峰值电流而不是RMS电流。在电源应用中，由于功率因数校正，高负载下的电流波形通常几乎是正弦的。因此，假设波峰因数（即峰值电流与RMS电流之比）在1.414和1.5之间是合理的。

这些计算表示电压和电流缩放值的上限。在缩放寄存器中设置的值定义了固件可以测量和报告的最大幅度输入。

测量分辨率

缩放寄存器中的值还设置了报告测量的分辨率。对于电压、电流和功率，缩放值的计算方法是将基本测量单位（伏特、安培或瓦特）除以所需的分辨率或 LSB 的权重。

 

VScale = VMAX/(Voltage LSB Weighting)	（公式4）
IScale = IMAX/(Current LSB Weighting)	（公式5）

 

如表1和表2所示，LSB权重不限于测量单位的小数部分。

 

表 1.VScale 示例
最大峰值电压 （V）	电压分辨率 （V）	VScale Register
667	1	667
667	0.001	667000
170	1/2048	348160

表 2.IScale 示例
最大峰值电流 （A）	IScale Register
32	1/2048	65536
62.5	0.001	62500
62.5	0.0000078125	8000000

 

普卡尔价值

由于功率是电流和电压的乘积，因此输入到 PScale 寄存器中的值由用于确定 VScale 和 IScale 寄存器值的最大峰值电压和电流值的乘积以及所需的功率报告分辨率确定。

 

PScale = (VMAX × IMAX)/(Power LSB Weighting)

（公式6）

 

例如，如果 V.MAX= 200V，电压分辨率为10mV/LSB;我.MAX= 20A，电流分辨率为1mA/LSB;功率的LSB权重为1mW，PScale的计算公式为：

 

PScale = （200 × 20）/0.001 = 4000000

（公式7）

 

所有缩放值，尤其是 PScale，都受到大小限制：它们必须适合 24M78+PSU 的 6610 位数据字。缩放值实现为 24 位整数，但它们必须始终为正值。可以用 24 位整数表示的最大正值为 8，388，607 （223- 1).如果计算出的缩放值大于 8，388，607，则必须调整最大值和/或 LSB 权重，以生成可表示为 24 位有符号整数的正值。表 78 显示了 6610M3+PSUEVK 的默认缩放比例。

 

表 3.78M6610+PSUEVK 默认缩放
	最大	分辨率	缩放值
电压	667V	0.001V	667000
当前	62.5安培	0.0000078125A （1/128mA）	8000000
权力	41687.5瓦	0.005瓦	8337500

 

78M6610+PSUEVK 的 PC 演示程序在显示数据值和输入校准目标值时考虑了缩放参数。

TScale、PFScale 和 FScale

其余的缩放值（TScale、PFScale和FScale）不会直接影响校准或测量值的满量程范围，而仅决定报告该值的分辨率或LSB权重。例如，如果 FScale 设置为 1000，则报告的频率分辨率为 1/1000Hz。同样，将 PFScale 设置为 1000 意味着在小数点右侧报告三位数字的功率因数。

测量注意事项

在大多数情况下，电源应用所需的测量值是电压、电流和功率。这些测量值在系统的电源入口处提供。然而，电气隔离、物理约束和EMI等系统考虑因素可能意味着直接在电源插座上进行测量是不可行的。为了达到高精度，在校准过程中应考虑测量点之前的组件。对于开关模式电源，通常在输入EMI滤波器的各个部分之间进行电压和电流测量，如图2所示。在这种情况下，78M6610+PSU不会测量滤波电容器（通常称为X和Y电容器）中的电流以及PCB走线和共模扼流圈上的压降，而是应在测量中考虑。

图2.电源中的典型测量位置。

78M6610+PSU固件专门设计用于补偿这些无法直接测量的电压和电流组件。这些补偿系数可以输入为根据测试数据计算的固定值。该固件还包括自动校准程序，用于确定 X 和 Y 电容器的正确系数以及任何压降。

一般校准

对于设备的常规校准，用户可以通过命令寄存器设置和启动校准程序。校准过程完成后，将清除命令寄存器位 23：16（设置为 0xCA 以发出校准命令），以及与成功校准的参数关联的位。与任何失败的参数关联的位将保持设置状态。命令寄存器的位图如图3所示。校准完成后，可以通过发出访问 （ACC） 命令将新系数作为默认值保存到闪存中。

图3.78M6610+PSU 命令寄存器位图。

本应用笔记的后续部分将介绍使用78M6610+PSU时的具体校准过程。

电压和电流增益校准

为了成功校准78M6610+PSU，用户必须根据系统中使用的传感器设置适当的电压和电流比例因子，如确定缩放值一节所述。

必须为系统提供已知且稳定的电压源和负载，如图4所示，并且必须对要校准的传感器施加稳定的交流电源和负载。与所应用的交流电源（通常用功率计测量）对应的值必须输入到相关的目标寄存器（例如，VTarget、ITarget）中。

要开始校准，请将校准命令写入命令寄存器。建议在校准期间设置线路锁定模式。

最初，所选参数的增益值设置为单位。然后计算所有输入的RMS值，并在CalCyc寄存器设置的测量周期数内取平均值。新增益的计算方法是将适当的目标寄存器值除以平均测量值。然后，新的增益将写入选定的增益寄存器，除非发生错误。电压和电流增益的计算基于目标值（通过寄存器VTarget和ITarget输入）与测量值之间的误差。误差是多次测量的平均值，因此需要稳定的源和负载。

完成后，命令位在命令寄存器中清除，仅保留系统设置位。如果校准失败，命令寄存器中的相应位将保持设置。校准例程将新的增益系数存储在相关寄存器中。为了将新系数作为默认值保存到闪存，用户必须发出 Access 命令。

图4.用于系统校准的典型连接。

偏移校准

78M6610+PSU 固件提供用于校准偏移寄存器（Ioff、Voff）的内置例程。

为了校准偏移，应从所有输入中移除所有直流信号;可以在存在交流信号的情况下进行校准。在命令寄存器中，用户指定要校准的通道。目标寄存器不用于失调校准。

在校准过程中，每个输入在CalCyc寄存器指定的整个校准间隔内累积。如果在校准命令中选择了特定的偏移寄存器，则结果除以样本总数，并写入相应的偏移寄存器。偏移校准命令将高通滤波器 （HPF） 系数（HPFCoeffV、HPFCoeffI）设置为零，从而将偏移寄存器（Ioff、Voff）固定为其校准值。

为了将新系数作为默认值保存到闪存，用户必须发出 Access 命令。

校准 X+Y 电容器和 R 补偿系数

大多数大功率应用使用线路输入滤波器来最大限度地降低EMI辐射，如图5所示。滤波电容器中的电流（I帽） 前面的 78M6610+PSU 无法测量。由于电流相对于电压是90°相移的，因此对功率测量没有影响。但是，为了在电流测量中获得高精度，电容器中的电流应与总电流（I有效值） 计算。

可以使用根据滤波电容值计算的固定补偿系数值。滤波电容的容差通常为±20%，可能需要每个系统的特定系数，以便在电流测量中获得更高的精度。78M6610+PSU 提供 X+Y 电容器补偿系数的校准程序。X+Y电容补偿系数的常规校准利用测量的电压和频率以及使用外部功率计测量的目标电流，如图5所示。

要开始校准，用户编写校准命令，设置位 X、Y、R 和 I 以及其他所需的选项，例如线锁定。在校准过程中，每个输入在CalCyc寄存器指定的整个校准间隔内累积。完成后，将写入 XYcomp 参数，并附上大容量电容的估计值。校准例程将新的增益系数存储在相关寄存器中。

此例程不是递归的;用户可能需要重新发出校准命令，直到电流读数与目标电流匹配。

为了将新系数作为默认值保存到闪存，用户必须发出 Access 命令。

图5.在典型校准设置中使用线路输入滤波器以最大限度地降低EMI。

片上温度校准

要校准片内温度传感器，用户必须首先仅将“T”命令位写入“1”（所有其他位为0）。此命令可防止 78M6610+PSU 固件覆盖 TempC 寄存器。接下来，用户必须将已知的芯片温度写入TempC。最后，用户将校准命令写入0xCA0400（校准温度）。这会导致 Toff 参数根据用户提供的已知温度使用新的偏移量进行更新。

为了将新系数作为默认值保存到闪存，用户必须发出 Access 命令。

外部温度校准

要校准外部温度，用户必须首先仅将“X”命令位写入“1”（所有其他位为0）。这可以防止 78M6610+PSU 固件覆盖 ExtTemp 寄存器。接下来，用户必须将已知的外部温度读数写入ExtTemp。最后，用户编写校准命令以0xCA0100（校准外部温度）。这会导致Xgain参数根据用户提供的已知外部温度值使用新增益进行更新。

为了将新系数作为默认值保存到闪存，用户必须发出 Access 命令。

校准程序

78M6610+PSU校准功能在校准点和执行校准的顺序方面提供了极大的灵活性。例如，电流和电压可以按顺序或同时校准。当固件完成电流校准时，它会检查是否也请求了电压校准。如果是这样，则开始电压校准。虽然电压和电流校准可以在任何工作点进行，但根据系统特性选择校准点可以获得最佳精度。

其他一些校准操作（如温度校准）必须作为单独的操作执行。如果图 6 中椭圆形表示的校准功能没有显示退出箭头，则意味着一旦校准功能完成，固件不会启动任何进一步的校准操作，直到另一个校准命令（0xCA0000 + 请求位）写入命令寄存器。例如，如果同时请求芯片温度（位 10）、电流（位 11）和电压（位 12），则仅执行温度校准（位 10）;电流（位 11）和电压（位 12）将保持设置。

固件处理不同校准请求的顺序如图6所示。在检查图3时，参考图6中的命令寄存器位图可能会有所帮助。

图6.78M6610+PSU校准命令流程图。

推荐的校准顺序

执行不同校准操作的顺序会影响预期工作范围内测量结果的准确性。下面描述的序列已被证明可提供最佳结果。

在接近 PSU 设计电压范围低端的交流入口电压下校准电流测量值。应加载 PSU 以提供 0.9 或更高的功率因数，如参考表所示。当电流校准在低电压下完成时，X和Y电容器中的电流（由参考仪表测量而不是由计量设备测量）最小化。

在高线路电压和低电流（I有效值< 500mA）。电压和电流测量是独立的。在低输入电流下校准电压可最大限度地减少 PCB 以及交流电源入口和 78M6610+PSU 测量点之间的组件中的压降。

在高线路电压和低电流下校准 X+Y 电容器补偿。在高电压下，X和Y电容器中的电流增加，在低电流下，电容器电流与78M6610+PSU测量的电流之比较大，这提高了X+Y电容器补偿校准的结果。

在低输入电压和高电流下校准 R 补偿。高电流会增加PCB和EMI滤波器中压降的大小;低输入电压增加了入口和测量点之间的压降与 78M6610+PSU 测量的电压之比。

将更新的校准值保存到闪存中。

 

表 4.校准和缩放清单
步	描述
1	根据系统中使用的传感器和所需的分辨率计算新的电压、电流和功率缩放值。相应地设置VScale，IScale和PScale寄存器，并将这些参数存储在闪存中。
2	计算频率和功率因数缩放参数以获得所需的分辨率（如果需要）。设置相关的FScale和PFScale寄存器，并将这些参数存储在闪存中。
3	连接电源和负载以进行电压和电流校准。设置校准点值。
4	设置 VTarget、ITarget 和 TTarget 寄存器。
5	执行 VCAL、ICAL 和 TCAL。
6	如有必要，请执行 XYComp 和 RComp 校准。
7	将新计算的系数存储在闪存中。

 

使用 78M6610+PSUEVK 的校准程序示例

本节逐步说明使用安装在78W服务器电源上的标准6610M750+PSU评估板的校准程序。校准需要两点，包括电压、电流和 X+Y 电容补偿系数。

对电源进行了修改，便于连接评估板。测量位置是此类应用的典型位置;图7所示为电源输入级（EMI滤波器）和评估板。

图7.校准示例的测试设置。

为了对 78M6610+PSU 进行系统内校准，需要稳定的交流电源和电源输出上的负载。还需要知道入口电流和电压。如果交流电源无法提供电流和电压的准确读数，则需要功率计。

对于此示例，使用以下设备：

交流电源：色度型号6430®

功率计：色度型号66202

直流负载：Chroma型号6314、63106（直流负载主机和直流电子负载模块）

具有 78M6610+PSUEVK 提供的标准 GUI 的计算机

第 1 步。电流增益校准

在此步骤中（见图8），校准电流增益。X+Y电容补偿系数的值必须设置为零。必须加载电源输出以获得近似单位的功率因数;功率因数通过功率计测量。电源输入应设置为工作电压的较低范围（例如，100VAC）。这样，电流对滤波电容器的影响最小，从而可以获得更高的精度。必须输入通过功率计读取的电流值作为新的目标电流，并且必须输入校准命令。

图8.校准 78M6610+PSUEVK GUI 中的电流增益。

第 2 步。电压增益校准

第二步（见图9）包括校准电压增益。在此步骤中，可以降低输出负载。输入电压应设置为上限。

图9.校准 78M6610+PSUEVK GUI 中的电压增益。

第 3 步。X+Y 电容器补偿系数校准

在第三步（见图10）中，设置X+Y电容的补偿系数。

图 10.校准 78M6610+PSUEVK GUI 中的 X+Y 电容器补偿系数。

第 4 步。将新计算的系数存储在闪存中作为默认值

准确度结果

校准后的精度结果如图11和图12所示。

图 11.120V 负载线有效值.

图 12.230V 负载线有效值.

结论

许多系统（如服务器电源）需要准确实时报告负载的功率、电流、电压和所有电气特性。此报告对于正确的负载管理和诊断是必需的。为了达到高精度，建议进行系统内校准。正如我们在本应用笔记中看到的，78M6610+PSU提供了片上例程，以执行快速系统内校准。这些例程可以减少测试和校准时间，从而降低成本。