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利用PMBus数字电源系统管理器进行电流检测——第二部分(二)
发布时间:2022-06-15        浏览次数:157        返回列表
 

精度

电流测量的精度取决于多个因素之和。在大多数系统中,精度在负载电流范围的中高端非常重要。有些系统要求在轻负载条件下提供出色的精度,这意味着检测链中的信号非常小。我们可以将精度影响因素分为四类:检测元件、板布局、放大器和检测测量电路。

在更详细地讨论精度之前,需要先定义术语TUE。总非调整误差或TUE是每个LTC297x数据手册中都会列出的一项规格参数。包括电流和电流测量的TUE规格。TUE是从VSENSE或ISENSE引脚到芯片的数字部分这一路径中,缓冲区和放大器中的PSM器件的内部基准电压源、增益和偏置误差共同导致的  组合误差。TUE是最差情况下的误差,以所有过程变化和温度范围内的READ_IOUT或READ_VOUT读数的百分比表示。这样就无需再计算芯片中的单项误差,例如VREF误差和ADC误差。外部组件(CSA和相关电阻、分流电阻、电感DCR、IMON电流)各自会产生误差,必须在总误差预算中加以考虑。

如前所述,置于输出路径中的电阻检测元件的精度。RSENSE容差一般为1%。它们成本较低,容易获取。数值范围一般在0.5 mΩ至几十mΩ之间。要确定该值,必须考虑相关的电流范围和范围两端需要达到的精度。电流流经RSENSE时,元件上会生成小电压delta V。我们需要测量该信号,并通过欧姆定律将其转换成电流。我们可能希望获得足够大的信号,以在轻负载条件下实现出色的精度;但是,在大负载下IR会大幅下降,会对电源性能造成负面影响。我们假设稳压器的反馈来自负载本身,检测点连接在负载上。因此,输出路径(高端和GND返回路径)中会出现压降。RSENSE位于稳压器的反馈回路内。其中也包括布局中会导致IR损失的PCB铜。

下方是一个关于精度的示例。假设电源的最大电流为10 A,我们希望精度能低至100 mA。在满负载时,建议将IR压降保持在<50 mV。如果检测电阻位于反馈回路中,则可以产生更大的检测电压。大信号的缺点在于检测元件中存在功率损耗。这是在选择电阻值时需做出的基本取舍。RSENSE值是基于满负载电流状态下检测到的电压计算得出,在本例中,为50 mV/10 A或5 mΩ。假设我们选择容差为1%的5 mΩ检测电阻。

实现的精度为1%(电阻容差)+ 0.3%(数据手册中给出的TUE)或1.3%,因为LTC2972/LTC2974/LTC2975输入检测电压>20 mV,该值可以转换为大于4 A的负载电流。检测电平<20 mV时,给出的TUE为±60 µV。负载电流为100 mA时,生成的信号为0.1 A × 0.005 Ω或500 µV。在±12% (60 µV/500 µV)的轻负载条件下,误差要大得多,这主要取决于TUE,而电阻容差对精度的影响不大。按值计算,其误差仅为±12 mA。TUE会导致内部基准电压源误差和ADC误差。选择容差更严格的检测电阻,得到的精度也会更高。

表2.ISENSE精度计算示例

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上述内容针对LTC297x系列中的大多数产品,适合<6 V的电源轨,其中,LTC2972/LTC2974/LTC2975 ISENSE引脚可以直接跨接在检测元件上,从而无需使用外部CSA。如果电源轨>6 V,则PSM管理器系列中的大多数产品都需使用CSA。LTC2971除外,它可以直接连接高达±60 V的ISENSE引脚。LTC2971的TUE为0.6%,是LTC2972/LTC2974/LTC2975的两倍;但是,IOUT_SNS引脚可直接连接至电源电压高达±60 V的检测电阻。

使用LTC2977/LTC2979/LTC2980/LTM2987来测量>6 V的电源电压上的输出电流时,可以使用CSA单端输出来驱动VSENSE引脚。可以使用任何通道,adc_hires位应保持其默认设置值0。从READ_VOUT寄存器读取输出电流测量值,且必须将该值从电压转换为电流。需要注意的是,VSENSE引脚具有更大的动态范围,大于LTC2974/LTC2975的ISENSE引脚的170 mV限值范围。由于VSENSEP引脚可以驱动至6 V,所以,可以将CSA增益设置得更高,以生成更大的检测电压。此外,CSA的输入失调电压VOS也需要考虑。VOS与增益的乘积决定CSA的输出误差。如果VOS为85 µV (LTC6101),增益设置为100,输出误差可能达到8.5 mV。VSENSE 引脚<1 V时的TUE为2.5 mV,>1 V时则为0.25%。CSA增益应设置为低值,以尽可能降低输出误差,但需要足够大,以利用VSENSE引脚的大信号范围。对于给定的增益设置,CSA导致的误差是固定的mV误差。转换后的输出电流值的误差显示在最后一列。表8描述了一个示例。RSENSE为5 mΩ。

表3.adc_hires = 0时,使用外部CSA计算得出的LTC2977/LTC2979/LTC2980/LTM2987的精度

QQ截图20220615114311 

这说明,外部CSA可以为高检测电压提供相当不错的精度,但是在低检测电平条件下,会导致更多误差。

通过生成适当的检测电压或信号,可以实现准确的电流测量。来自检测元件的delta V需要足够大,以克服芯片和其他来源(例如布局)导致的噪声和误差。先确定轻负载精度的重要性,然后预估信噪比(SNR)。通过将产生可接受精度的检测电压除以待检测范围中的电流值,可以计算出最佳值。

要实现高精度,最好是创建足够大的信号并尽可能降低元件/布局误差。也就是说,使用较大的RSENSE值和容差较小的电阻。您也可以考虑校准电流回读值。采用已知的负载电流,观察READ_IOUT值。调节IOUT_CAL_GAIN值,尽量降低回读值的误差。使用STORE_USER_ALL命令,将更改过的值存储到芯片的EEPROM中。

 

检流电阻检测精度

检流电阻方法的优势在于,它比电感DCR方法更准确,因为分流电阻值的精度一般能达到1%或更高。与电感DCR相比,其温度系数相当低。但是,即使购买容差很小的电阻,也可能因为布局和焊接问题而失去效用。

分流电阻方法的劣势在于,它会因IR压降产生损耗。这会导致发热,并且在输出路径中会出现压降。如前所述,将检测电阻置于反馈环路内可以大大减少IR压降,使稳压器环路将压降减少到可忽略不计的水平。

因为LTC297x差分输入电流会导致差分误差电压,所以Rcm电阻的值必须相同。不匹配的Rcm电阻会因为滤波器器件容差而产生误差。通常,这些电阻值应小于1 kΩ。

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10.ISENSE引脚电流

 

布局

无论您是计划使用分立感测电阻,还是使用电感DCR来测量电流,在高负载条件下,布局都很重要。这很可能导致在焊接连接中出现IR压降,感测连接也会受到影响。最好避免与检测点之间会出现IR压降的焊盘进行感测连接。如果比较图11中显示的布局,会发现连接至焊盘内部的连接示例中只有少量或没有IR压降,这是因为焊盘的这些区域中不会发生或很少发生电流流动。标记为“一般”的布局会因为检测点(焊盘侧面)所在的位置(位于在电流路径中)出现IR压降。

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11.分流电阻的布局建议

市面上提供4端口检测电阻。两个端口用于连接主电流电路,另两个端口用于进行开尔文检测连接。对于要求在大于20 A的电流下具有出色精度的应用,可以采用4端口合金检测电阻,其值可以低至100 µΩ。有些制造商指定高值电阻的容差比低值电阻更小,所以此时需要做出基本的权衡取舍——要求精度达到0.1%时使用1 mΩ,或达到0.5%时使用400 µΩ。

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12.4端口分流电阻

在确定检测电阻的布局时,请参考“改进低值分流电阻的焊盘布局,优化高电流检测精度”获取关于精度的更多详情。

 

使用LTC2977/LTC2979/LTC2980/LTM2987测量输出电流

LTC2977/LTC2979/LTC2980/LTM2987器件测量电流的能力有限。它们可以配置为测量奇数通道上的电流:通道1、3、5和7。要进行电流测量配置,必须将通道设置为高分辨率模式(MFR_CONFIG_LTC2977,位9)。这样VSENSEM引脚可连接至高达6 V的共模电压。VSENSEP和VSENSEM引脚可跨接在电感(DCR)或电阻检测(RSNS)元件上。

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13.MFR_ConFIG adc_hires

偶数位通道不支持此功能,VSENSEM引脚(通道0、2、4和6)必须保持在GND的±100 mV范围内。

在这种模式下,此通道提供的功能就是遥测回读电流。设置adc_hires位会禁用VOUT_EN引脚,并禁用所有故障响应。本质上,对于LTC2977,它会强制通道进入“关闭”状态,并且它仅回读检测元件两端的电压(mV)。

LTC2977/LTC2979/LTC2980/LTM2987器件未配备READ_IOUT寄存器,或使用寄存器来存储DCR或RSNS值。而是使用READ_VOUT命令来获取原始差分电压读数。系统主机需要根据该读数除以检测电阻值计算出电流。注意,这些值是以L11格式给出的,而不是L16格式。单位为毫伏。如果使用系统主机或FPGA/CPU读取电流,则必须进行数学运算,将毫伏值转换为毫安或安培值。应用笔记AN135中包含将L11十六进制转换为浮点值的示例代码。

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14.用于检测差分电流的VSENSE引脚

LTpowerPlay有一个功能,可以很方便地将这个mV读数转换为电流回读值(mA)。这是一个比例系数,可用于在READ_VOUT寄存器中生成调节值。可以通过单击配置窗口中的设置选项卡来访问此选项。

输入VOUT显示比例框中的值应等于1/RSNS。如果使用外部CSA,需要将比例系数设置为1/(GAINCSA/RSNS)。其中有一个显示单位字段,通过将V更换为A,可以将伏特改为安培。这样就可以显示经过计算的电流读数,该电流与基于电路中的检测电阻得到的实际电流一致。例如,如果RSNS为10 mΩ (0.01 Ω),则VOUT显示比例为100。READ_VOUT寄存器现在会报告一个mA值,反映芯片测量的每mV的100 mA。在本例中,对RSNS为10 mΩ的电源轨施加592 mA负载,则芯片的测量值为5.92 mV。注意:设置下的比例/偏置值不会保存至器件的NVM,但会保存至.proj文件。

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15.设置选项卡中的VOUT显示比例

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16.READ_VOUT遥测显示比例值和单位(mA)

因为差分电压(VSENSEPn – VSENSEMn)限制为±170 mV,所以选择检测元件时必须注意,确保IR压降不超过此限值。这些引脚的共模电压可高达6 V。例如,如果预期电流在3 A范围内,则50 mΩ检测电阻会为ADC提供150 mV电压,且允许超出3.4 A。因为有大信号,这有助于提高精度,但在输出路径中,150 mV也是很大的IR压降。因此需要在电流测量精度和输出中的IR压降之间做出取舍。应始终关闭负载上的反馈环路,以便稳压器/伺服器调节至合适的输出电压。详情请参见LTC2977数据手册。

例如,将其中一个奇数位通道分配用于测量输出电流。通道7测量通道6的IOUT,这是一个3.0 V电源。

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17.READ_VOUT转换为mA通道7

当奇数位通道配置为ADC高分辨率模式时,不能使用VOUT_EN引脚,且禁用监控功能;因此,无法快速检测过电流状况。但是,如果使用CSA,并将单端信号输出至VSENSEP引脚,就可以监控任何通道(在ADC低分辨率模式下)的电流。可以将一个电压通道专用于监控CSA的输出。传输延迟由通过CSA的延迟、PSM器件导致的延迟,以及任何无源组件(即RC)可能导致的延迟的总和决定。PSM延迟取决于配置,无论故障响应是设置为即刻关闭还是抗尖峰关闭,以及延迟计数设置。

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