用高壓I2C電流和電壓監(jiān)視器進行測量

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

引言

　　由于今天電子產(chǎn)品設(shè)計的復雜性不斷提高，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)用到汽車和消費電子產(chǎn)品的所有產(chǎn)品中，準確的電源電壓和電流監(jiān)視對節(jié)省功率和保證可靠性都是至關(guān)重要的。

　　監(jiān)視至一個系統(tǒng)的電源輸入需要多種組件。為了測量電流，需要一個檢測電阻和放大器，而且如果放大器共模范圍擴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測量電壓，而且如果有多于 1 個電壓要監(jiān)視，那么還必須給這個組件表增加一個多路復用器。下一個是具有精確基準和一些與微處理器連接途徑的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，同時也許與相鄰 IC 共享 I/O 線。由于找到合適組件的總體復雜性和困難，電源監(jiān)視最好的方法就是集成式解決方案。

　　LTC4151 為發(fā)揮這一作用而開發(fā)。它含有形成一個完整電源監(jiān)視系統(tǒng)所需的功能構(gòu)件 (參見圖 1)。它在 7~80V 的范圍內(nèi)工作，同時監(jiān)視電源軌的電流、它自己的電源電壓和一個附加的電壓輸入。為實現(xiàn)靈活性，檢測電阻是外部的，從而允許 LTC4151 準確地監(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 I2C 進行，有 9 個設(shè)備地址選擇。


圖1  簡化的 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。通過在一個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)用中變得切實可行了。

簡單與復雜

　　LTC4151 應(yīng)用于很多復雜、空間受限和低壓的應(yīng)用，包括 RAID 系統(tǒng)、電信和工業(yè)計算機/控制系統(tǒng)。幸運的是，這個器件僅需要少數(shù)簡單連接，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 用來測量該轉(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檢測電阻和兩個總線上拉電阻。


圖 2  LTC4151 在 12V 應(yīng)用中使高端檢測變得簡單

　　LTC4151 提供相對簡單直接的連接，同時遠離與低端檢測有關(guān)的風險。由于固有的簡單性，低端檢測 (檢測電阻與負載地串聯(lián)) 是一個有吸引力的監(jiān)視電源電流的方法。通過允許 ADC 直接測量檢測電阻的壓降，或用一個簡單的前置放大器，它去除了對特殊放大器的需求。不幸的是，極少有負載真正以這種方式浮動而允許接地通路開路。這個電路還帶來一種潛在安全危害，因為一個出故障或斷接的低端檢測電阻允許負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，然而高端檢測很難實現(xiàn)。這是因為 ADC 必須測量連接到正軌的檢測電阻兩端的壓降，該正軌常常為遠超出 ADC 本身范圍的電壓。此外，小的檢測電阻壓降 (在這種情況下為 20mV/A) 就一個 12 位轉(zhuǎn)換器而言太小，因為動態(tài)范圍的大部分都浪費了。需要一個特殊放大器，一個能檢測高正電壓軌同時給以地為基準的 ADC 提供輸出的放大器。LTC4151 不僅解決了在高壓軌測量的問題，而且由于檢測放大器的 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 +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、海量存儲設(shè)備和很多其它系統(tǒng)。圖 3 顯示了在一個 48V 應(yīng)用中的 LTC4151。ADIN 通過測量一個二極管的壓降監(jiān)視溫度。電源引腳的絕對最大電壓和兩個檢測輸入引腳是 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，而無需第二個電源。

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

　　高壓應(yīng)用會歡迎 LTC4151 提供的準確度。測量 SENSE 引腳上的電流時，最大總的未調(diào)整誤差(TUE) 為 ±1.25%。滿標度電流檢測電壓為 81.92mV，且具有 20uV/LSB 的分辨率。這種準確度就大多數(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確度，也是可與其比較的。通過內(nèi)部精確衰減器測量 VIN 上的電壓時，TUE 為 ±1%，且具有 102.4V 的滿標度電壓和 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，TUE 為 ±0.75%，且具有 2.048V 的滿標度電壓和 25mV/LSB 的分辨率。這些準確度數(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“負壓”也可接納

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

　　圖 4 顯示 LTC4151-1 如何連接到一個 -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) 引腳和獨特的 SDAO# (負數(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，所以也消除了對一個單獨上拉電源的需求。注意，Vin 端的電壓在檢測電阻的上行側(cè)測量，以實現(xiàn)更高的準確度，而且假定 LTC4151-1 的靜態(tài)電流在與 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的負載相比時可以忽略不計，轉(zhuǎn)換器負載就 ATCA 應(yīng)用而言通常在安培量級。該圖還顯示怎樣能用 ADIN 引腳來利用一個熱敏電阻測量線路板溫度。

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

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

結(jié)論

　　LTC4151 是一個通用型電源監(jiān)視器，具有幫助應(yīng)對種類繁多應(yīng)用的功能。采用分立和其它電源監(jiān)視器的傳統(tǒng)實施方案在復雜性、功能性或性能方面往往達不到要求，但是 LTC4151 通過提供一個簡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)對這種情況。包括內(nèi)部檢測放大器、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)準確和精確。高壓應(yīng)用可以利用 90V 絕對最大額定值，同時該 IC 的全部靈活性適用于用戶監(jiān)視負電壓，包括一個方便隔離的選項。確實，LTC4151 的好處難以量度，因為它允許設(shè)計師在實現(xiàn)一個可靠的電源監(jiān)視電路上花更少的時間，因此實現(xiàn)這樣的電路不再是一個難以承擔的任務(wù)了。

參考文獻：

[1]Reyes D.Power Monitor for Automotive and Telecom Applications Includes ADC and I2C Interface[R]. Linear Technology，2008
[2] LTC4151 Datasheet[R]. Linear Technology，2008