电流监控系统的应用场景和解决方案

引言：许多应用需要输出负载电流监测，实际需求因系统而异，从简单的参数数据记录和报告到诊断、控制。有多种解决方案可用于监测负载电流，每种解决方案都有自己的优势和挑战，选择正确的解决方案需要对系统需求进行评估，并在性能、成本、面积和复杂性等因素之间进行权衡。本节介绍集成电源开关中的输出负载电流监测功能，而不是独立的电流监测设备/解决方案。

1. 电流监控系统的应用场景

在整个系统或子系统中对电流监测的需求各不相同，下面是一些电流监控的应用需求示例：

统功率报告

监测电压和电流等基本电气参数的最常见原因是用于报告和数据记录目的，例如在拥有数千台服务器的数据中心中，监控单个服务器节点的功耗有助于统一分配工作负载，从而确保数据中心以最佳效率运行。

工厂自动化

系统电流监控也适用于工厂自动化，尤其是在使用M16和M18电缆来分配功率的远程输入/输出（I/O）模块中，为了不超过电缆额定电流，监测端口和系统的电流非常重要，否则可能会损坏系统。

动态/实时控制

一些系统使用负载电流测量来实现实时控制，在这样的应用中，除了准确性之外，具有高带宽和低延迟同样重要。例如在服务器中，电源监视器可以检查整个系统电流是否快速上升超过某个阈值，并向中央或图形处理单元发送信号，以快速降低其性能，从而防止整个系统关闭，通常此信号需要非常快（延迟<10us）。

诊断

通过查看不同部分的电流消耗，并将该消耗与基于正常操作期间的预期值的阈值进行比较，可以识别系统中的故障，任何消耗明显高或低电流的部分都可能指示故障。例如在工厂自动化中，布线是电源和信号路径的必要条件，因为它分布在大型工厂环境中，数字输出模块通常将最大导线长度指定为100米。使用这种长度的导线，导线可能会意外断裂，可以通过模拟电流监测器或开路负载检测功能监测回路中的电流来检测断线。

类似地，汽车驾驶员辅助系统传感器和天线通常通过长电缆连接，具有快速报警和诊断电线断裂的能力对于确保安全操作至关重要。

预测性维护

一些系统（服务器、线卡和可编程逻辑控制器I/O模块）监测电气参数的配置文件，并寻找时间/频率特征的变化，以预测即将发生的故障，这些信息有助于系统操作员在故障发生前安排维护。预测性维护有助于避免计划外停机、生产力损失甚至安全隐患，在这些应用中，电流监测器需要具有良好的分辨率来捕捉电流的细微变化，以及足够的带宽来捕捉电流中的任何瞬态或瞬时变化。

2. 电流监测解决方案

根据所使用的感测元件（外部/内部）和输出类型（模拟/数字），有不同类型的电流监测解决方案。

外部检测元件

热插拔控制器使用电源路径中的外部Rsense来感测负载电流，Rsense两端的电压降由内部高侧电流感测放大器放大，然后作为模拟电流输出被驱动到外部模数转换器ADC，或者被馈送到内部ADC，图9-1显示了使用外部感测元件的电流监测。

图9-1：使用外部检测元件的电流监测方框图

需要根据热插拔控制器数据表中指定的最大系统负载电流Imax和最大感测电压Vsensemax来选择Rsense值，公式1基于以上计算Rsense：

电流感测精度是Rsense容限和电流感测放大器增益/偏移误差及其相关温度系数的函数，通过使用精确的负载电流参考进行系统级校准，可以将误差降至最低，但不可能消除温度漂移。选择温度系数较低的感测电阻器，如薄膜或大块金属，其他误差源主要源于电流感测路径周围的PCB布局不当，为了获得最佳结果，使用开尔文感应连接。

基于外部电流感测电阻的解决方案的主要优点是，当在宽范围内感测电流时能够实现高线性和高精度。外部电流感测电阻器的缺点是增加了成本和板空间，以及感测电阻中的额外电压降、功耗和自发热。

内部检测元件

eFuse和智能高端开关使用内部电流感应电路，不需要电源路径中的外部组件进行电流感应。电流感测通常使用某种形式的电流镜电路来实现，该电路驱动电流监测器输出引脚上的一部分主FET电流。图9-2显示了eFuse的框图，它使用集成电流感测电路在专用引脚（IMON）上提供模拟电流监测信号输出。

图9-2：eFuse电流监测内部方框图

像一些特别的eFuse，在两用引脚（ILIM）上提供模拟电流监测器输出，该引脚主要用于设置可调电流限制，如图9-3所示，电流限制电阻器（RILM）两端的电压降提供了输出负载电流的测量值。

集成电流感测解决方案的精度由与内部电路相关的失配和其他误差决定，内部电路在出厂时进行了微调，以在负载电流和工作温度范围内提供高精度。部分eFuse还采用了像放大器这样的电路技术，以最大限度地减少偏移误差和随时间、温度的漂移。工厂微调和其他电路技术的使用最大限度地减少了对最终系统中任何额外校准的需要，以实现高度准确的电流测量。与基于外部感测电阻器的解决方案相比，内部电流感测方案通过消除与感测电阻器相关的额外成本、尺寸、电压降和加热而提供显著优势。

图9-3：采用放大器技术提高精度的eFuse内部方框图

3.模拟输出类型

输出是与负载电流成比例的模拟电流信号，方程2和方程3表示输出负载电流Iload和电流监测信号IMON之间的关系：

其中，GMON为电流监测增益，或者：

其中，KMON为电流感比值。

将电阻器（RMON）从电流输出引脚（IMON）连接到GND将感测电流转换为电压，如等式4所示：

为了确保最大限度地利用测量的动态范围，选择RMON的应该使满刻度负载电流下的VMON与ADC或其输入的任何其他下游电路的满刻度电压输入相匹配。通过使用更大的RMON可以提高低电流下的灵敏度/分辨率，因为它相对于噪声增加了可用的信号电压。但是较大的RMON也会增加较高电流下的电压摆动，并且由于IMON引脚驱动器电路上的净空限制，可能导致接近满刻度的削波/饱和。

4. 高/低电流数字指示器

许多解决方案通过将负载电流与特定阈值进行比较来确认电流大小，并提供一个数字输出标志引脚。像智能高侧开关提供了一个漏极开路状态输出引脚，以标记系统已发生负载开路。开路或轻负载检测需要考虑的一个重要方面是输出电流的正常工作范围，为了避免错误的故障报告，标称工作范围需要高于数据表中列出的最大空载检测阈值。

此外，有的eFuse的集成模拟电流监测器输出（IMON）可以与集成比较器（PG、PGTH）一起重新调整用途，以提供开路或轻负载检测功能，如图9-4所示。通过添加外部比较器，也可以使用具有模拟电流监测器输出的其他设备实现开路或轻负载检测。

图9-4：使用IMON、PGTH和PG进行开路或轻负荷检测/使用外部比较器进行开路或轻负载检测

5. 数字遥测输出类型

数字电流监测的另一种方法是遥测，这种电流监测的数字方法包括感测模拟电流，并通过集成ADC将其转换为数字信号，然后将其存储在内部数字寄存器中。然后使用诸如I2C或串行外围接口总线之类的数字总线将数据报告回中央处理单元。图9-5方框图中突出显示的部分展示了电流的感测和模数转换。

图9-5：LM5066I的内部方框图

存储的模拟电流信息的数据格式可以由PMBus等行业标准定义，也可以根据设备进行自定义。PMBus是一种普遍的规范，有助于通过I2C标准化遥测数据的读取和写入，PMBus还定义了用于存储功率和电压数据的数据格式。

6. 电流监控相关考虑点

以下是在为应用场景选择电流监控解决方案时应考虑的一些关键考虑点：

动态范围

动态范围是指电流监测器电路能够准确感知和报告的负载电流范围，如图9-6所示，在所支持的动态范围之外的信号将具有显著更高的测量误差，或者可能根本没有被感测到。动态范围通常在上端受到电流监控放大器电路的净空的限制，而在下端受到噪声和偏移误差的限制，通常在范围的低端或高端的精度之间存在权衡。在电路中使用更高的增益或更大的感测电阻器通过增加相对于偏移和噪声的信号来改善接近零标度的性能，但是会导致接近满标度的输出的削波和/或饱和。相反，使用较低的增益或较小的感测电阻器可以确保接近满标度时更好的线性度和精度，但在接近零标度时会导致较差的测量精度。因为测量由偏移和噪声主导，一些电流监测设备使用斩波稳定放大器、自动调零放大器和多点微调等技术，以最大限度地减少偏移误差，并提高低端范围的性能。

图9-6：电流监控性能规范

直流精度

直流精度是电流监测器输出与预期值的绝对误差/偏差的度量，用%FS或%读数表示。误差是诸如增益误差、偏移误差和非线性的分量的组合，虽然增益误差在较高电流下占主导地位，但偏移误差在较低电流下占支配地位。对于具有外部电流检测电阻器的设备，检测电阻器的公差也会导致整体电流监测误差，需要考虑误差分量的温度系数，以确定温度测量的准确性。

分辨率/灵敏度

分辨率/灵敏度是监控电路能够感应到的最小电流变化的度量，通常在分辨率和动态范围之间进行权衡。对于模拟监控解决方案，更高的灵敏度意味着传感电路的增益更高，对于数字输出解决方案，更高的灵敏度还取决于ADC的分辨率。

带宽

带宽是监控电路能够感应到的电流最快变化的度量，电路带宽内的任何信号都将被准确地再现，而带宽外的信号将被显著衰减，从而导致错误的测量，带宽还决定了电路检测电流瞬时变化（如负载瞬态）的能力，如图9-7所示。

图9-7：电流监测性能不足带来的系统影响

延迟

延迟是负载电流的任何变化与该变化反映在测量输出中的时间之间的延迟的度量，延迟通常是数字电流监测解决方案中的一个参数，是模数转换时间和通过数字电路的传播延迟累加。

7. 结论

表9-8列出了一些具有当前监控能力的各种电源开关解决方案（仅作参考），除了提供电源路径控制和保护外，热插拔控制器、eFuse和智能高端开关等电源开关还可以通过执行电流监测来提供附加功能。虽然市场上有许多电源开关，但在某些情况下，可以根据其集成的电流监测功能缩小选择范围。

表9-8：具有电流监测功能的电源开关