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亚德诺新闻
利用PMBus数字电源系统管理器进行电流检测——第二部分(一)
发布时间:2022-06-15        浏览次数:153        返回列表
 

摘要

本文第二部分介绍如何测量高压或负供电轨上的电流,以及如何为IMON检测方法设置配置寄存器。本文阐述了测量电流的精度考虑因素,并提供了使用LTpowerPlay®进行器件编程的相关说明。在部分,我们介绍了电流检测的基本概念,包括各种方法和电路拓扑。 

 

超出器件限制

LTC297x器件对施加于VSENSE和ISENSE引脚的电压存在限制。电压不得超过6 V。接下来,我们主要讨论LTC297x系列中的大部分产品,LTC2971除外,其电压限值为±60 V。对于电压大于6 V或者为负电压的供电轨,必须设计一种间接检测电感或检测电阻两端电压的方法。

 

电阻分压器

如果电源电压高于ISENSE引脚的最大额定电压,人们可能会倾向于使用两个分压器。这样考虑似乎很合理,直到您需要计算分频“信号”的误差。在检测元件的每一边安装一个分压器。获取每个分压器的“输出”,然后传输至LTC297x检测引脚。如果上下电阻比相互匹配,就可以实现准确分频HV信号的目标。电轨电压经过充分的分压,使LTC297x输入电压保持在其限值内,经过分压的输出电压则提供比例电压,可由LTC297x进行测量。但是,电阻容差要求使这种方法并不可行。此外,对电压进行分压的次数越多,误差就越大。例如,如果只有其中一个电阻产生仅仅0.1%的误差,会得出一个固定的偏置误差。增益误差所占的比例极小,主要是偏置误差。

举例来说,如果您需要测量12 V电源的输出电流。该电源可以提供2 A,并且输出路径中配置了一个10 mΩ分流电阻(RSNS)。在满负载下,这个分流电阻会生成一个20 mV信号。因此,可以选择3次分流电路,且顶部和底部分别选择2 kΩ和1 kΩ电阻。这使得ISENSE引脚的共模电压为4 V。使用相对较低的值是为了保持较低的源阻抗,正如LTC297x器件一样,以减少由分压器的戴维南等效电阻引起的漏电流误差。

 

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1.用于进行电流检测的电阻分压器会产生很大的误差

假设在空载条件下,并且所有电阻都是理想的。每个分压器中点为4.00 V,delta V为零。因此,LTC297x的READ_IOUT值为0.000 A。但是,如果其中一个2 kΩ组件的电阻高达0.1%(2002 Ω),delta V则为2.665 mV。但是注意,正如ISENSE检测到的,满量程值为20 mV/3或6.667 mV。2.665 mV读数转化为0.4 A输出电流。这是预期的满量程读数的40%!如前所述,引入的误差是偏置误差,不是增益误差。但不管是哪种,都是很大的误差。这种方法对电阻容差过于敏感,所以我们必须寻找另一种解决方案。

 

高端检测放大器

因为LTC2972/LTC2974/LTC2975对ISENSE引脚的电压限值为6 V,所以使用高端电流检测放大器(CSA)进行电平转换来解决这个问题。LT6100/LTC6101常用于固定/用户可选的增益。与使用分压电阻相比,其精度更高。

 

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2.用作电平转换器的电流检测放大器

相关方程和条件如下:

CSA的VOUT = ILOAD × RSNS × (R2 / R1)

设置IOUT_CAL_GAIN = RSNS × (R2 / R1)

保持VISENSEP < ±170 mV

 

LTC2971用于在高压轨上进行电流检测

对于高压轨,使用LTC2971(2通道DPSM)直接检测电流和高达60 V的电压。LTC2971具有四种不同的订购选项。LTC2971-1支持在一个通道上进行60 V检测,在另一个通道上进行–60 V检测。LTC2971-2支持两个通道均为–60 V,LTC2971-3选项支持60 V和1.8 V。LTC2971的两个通道均支持60 V检测。如果直接连接到IOUT_SNS引脚,可避免使用外部CSA。使用该CSA会导致增加成本、占用更多板空间,并带来误差。LTC2971电流测量精度为READ_IOUT读数的0.6%。

1.LTC2971订购选项

QQ截图20220615114220

 

低端电流检测

在有些用例中,可以选择低端电流检测。将检测电阻放在负载低端,并将ISENSE引脚连接到电阻。这样,ISENSE引脚的共模电压可以接近GND。如果电源电压大于6 V,那么它可能也适合您的应用。这是一个很好的解决方案,可用于测量几乎所有电源轨上的电流,包括高压轨。选择RSENSE值时需兼顾两个方面,要获取足够大的信号,以实现出色的精度,阻抗还要足够低,不会造成大幅IR压降,导致输出电压和负载一样下降,即负载调整不良。图3显示VSENSE的反馈电阻和开尔文检测连接。开尔文检测是一个术语,用来描述与检测元件之间的连接,不包括压降。

 

在为检测电阻建立电流返回路径时,应非常小心。许多高密度板设计为具有多层接地浇筑层(ground pour),使得返回的电流可以流经多条路径。使用分流电阻之后,可以迫使返回的电流流经此元件,从而使得开尔文检测连接跨过该元件,重新连接至PSM器件的ISENSE引脚。

 

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3.低端检测解决了高压电流检测问题,但存在弊端

 

负电轨上的电流检测

可以使用几种不同的方法来监测负电源的输出电流。较简单的解决方案是使用低端CSA,例如LTC6105。图4显示跨过分流电阻连接的输入,CSA由PSM的VDD33和负电轨的低端供电。输出是单端信号,可以连接到PSM的ISENSE或VSENSE引脚。

如果CSA连接到ISENSE引脚,则将IOUT_CAL_GAIN设置为RSNS × GAINCSA。例如,如果分流电阻为10 mΩ,CSA增益为10,则将IOUT_CAL_GAIN设置为100。IOUT_CAL_GAIN单位为毫欧。 

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4.使用CSA (LTC6105)检测电流

使用LTC2971-1或LTC2971-2监测负电源的输出电流是一种非常简单的解决方案。它们是都双通道器件,LTC2971-2的两个通道可以检测60 V电压轨上的电流。LTC2971-1只能检测通道1的负电轨上的电流。

 

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5.无需外部组件即可检测负电轨上的电流

注意:LTC2971的READ_VOUT值采用L16格式,是无符号数值。在GUI中显示的负电轨电压值是反相的。

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6.LTC2971-1通道1LTC2971-2两个通道的LTpowerPlay设置选项卡

 

IMON示例

电流驱动IMON引脚允许用户选择电阻值,用于设置电流检测增益和最大电压。PSM器件测量ISENSEP和ISENSEM引脚之间的电压差,检测增益需要使用MFR_IOUT_CAL_GAIN来设置,这与分流检测类似。

我们以LT3081 LDO稳压器的IMON引脚为例来说明。LT3081 IMON电流=负载电流/5000。假设使用一个2 kΩ电阻。负载电流放大器的IMON引脚电压为:

VIMON = (ILOAD / 5000) × 2000 Ω = 0.4 V/A 

401323-fig-07
7.使用LT3081 IMON引脚

如果负载电流为2 A,则IMON电压为0.8 V。根据此公式,可以看出只需增大IMON电阻值,即可提高IMON电压对负载电流的灵敏度。如果这样做的话,最大电压(满负载)可能远>1 V。PSM器件的ISENSE引脚需要适应这种大幅偏移。对于LTC2974/LTC2975,这会影响差分电压(限制为±170 mV)。幸运的是,LTC2971和LTC2972有一个配置位,当imon_sense置位时,让电流检测电路进入一种模式,该模式允许检测单端电压高达6 V。 

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8.MFR_ConFIG imon_sense

必须根据我们选择的硬件来设置配置命令。在本示例中,IOUT_CAL_GAIN应设置为400 (0.4 V/A)。单位为毫欧。如果没有可能会影响READ_IOUT值的温度系数或热时间常数,则其他与电流相关的命令可能具有默认值。MFR_IOUT_CAL_GAIN_TC、MFR_IOUT_CAL_GAIN_TAU_INV和MFR_IOUT_CAL_GAIN_THETA的默认值设置为零。

LT7101降压稳压器的IMON引脚就是一个具有电压驱动输出的引脚示例。输出还具有失调电压。也就是说,在空载条件下,IMON引脚保持0.4 V。开始时,这似乎是有问题的,因为差分电压限值为±170 mV。但是,LTC2972/LTC2971 PSM器件可以检测这种类型的IMON引脚,并允许ISENSE引脚上具有更大的差模信号。给大家展示一个具体示例 

401323-fig-09
9.使用LT7101 IMON引脚

通过将LTC297x ISENSEM引脚接地,并将ISENSEP引脚连接至IMON引脚,可以将LTC2971/LTC2972连接至LT7101。命令值可以通过下式计算:

从READ_IOUT公式开始,

401323-eq-01 

重写求解IOUT_CAL_GAIN的方程:

 401323-eq-02

假设TCORRECTION = 1。

LT7101数据手册给出了1 A和0.25 A负载电流的IMON电压电平,分别为1.21 V和0.603 V。所以,IOUT_CAL_GAIN值为:

 401323-eq-03

IOUT_CAL_OFFSET为:

401323-eq-04 

IOUT_CAL_OFFSET为负值,因为需要减去READ_IOUT值。您可能会发现,需要更改计算得出的寄存器值,以便更好地将测得的负载电流与READ_IOUT读数关联起来。这需要增加校准步骤。驱动已知的负载电流,然后比较READ_IOUT值和预期值,将调整后的值写入IOUT_CAL_GAIN和/或IOUT_CAL_OFFSET。一般来说,许多稳压器的IMON精度不如用于测量电流的检测电阻的精度高,但是,校准电流测量值可以大大改善其精度。

 

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