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利用PMBus数字电源系统管理器进行电流检测——第一部分

本文作者：Michael Peters 点击： 2022-06-13 10:32

前言：

本系列文章分为两部分，这是第一部分。第一部分介绍数字电源系统管理器(DPSM)系列，并说明电流检测的主要方法。另外还会介绍LTpowerPlay^®并讨论电能计量。第二部分探讨高压或负电源上的电流检测及精度，并重点介绍DSPM系列的数字方面。

简介

电路板级设计人员的任务是赋予电路板以生命，监视其健康状况，调整设置，运行诊断，脱机进行检查，在出现问题时排除故障，以及在无事故的情况下有序地关断复杂的电路板。在电源设计和开发的世界里，电源管理可能不仅仅是一种需要，更是一项硬性要求。电源系统管理器聚合了多种功能，例如上电时序管理、故障检测、裕量测试、协调关断、测量电压、测量电流以及收集数据进行分析。使用LTC297x器件测量电源电流是本文的重点1。

对于为FPGA、CPU、光收发器等高价值器件供电的电源，测量其从电源轨汲取的电流可能很重要。对于这些关键电源轨，电路板设计人员可以通过此数据深入了解其性能。当电流信息被测量到，且电流值为数字格式，那么器件就可以计算功率和电能，系统主机也可以执行独特的计算、从数据中分析趋势、安排任务等。

围绕电流检测这一主题已有许多技术文章和应用笔记问世，但没有一篇是专门针对DPSM的。本文涵盖了模拟和数字方面，并描述了用于测量低压、高压和负电源轨的各种支持电路。

LTC297x DPSM系列

本文的重点是内置电流测量功能的电源系统管理器。表1说明了这些器件之间的差异。

LTC2977/LTC2979/LTC2980/LTM2987可配置用来监视电流，但存在一些限制。只有奇数通道支持电流测量，并且测量值以未缩放的单位(V)返回。这在第二部分中有更详细的介绍。

本文重点介绍LTC2971/LTC2972/LTC2974/LTC2975器件，它们能够测量输出电流，并允许系统/软件利用READ_IOUT命令回读以安培(A)为单位的值。

应用笔记AN105：帮助弄懂电流的电流检测电路集合介绍了广泛的电路和使用场景。该集合的一部分适用于ADI数字电源系统管理器。

表1.LTC297x DPSM器件系列

	Output Current Monitor 输出电流监视器	Output OC/UC Supervisor 输出过流/欠流监控器	Input Current Monitor 输入电流监视器	Energy Accum. 电能累计	LTpowerPlay Support LTpowerPlay支持
LTC2971 LTC2971					
LTC2972 LTC2972					
LTC2974 LTC2974					
LTC2975 LTC2975					
LTC2977 LTC2977	Odd channels 奇数通道				
LTC2979 LTC2979	Odd channels 奇数通道				
LTC2980 LTC2980	Odd channels 奇数通道				
LTM2987 LTM2987	Odd channels 奇数通道				

除非另有说明，本应用笔记中的LTC297x指LTC2971、LTC2972、LTC2974、LTC2975、LTC2977、LTC2979、LTC2980和LTM2987，而不包括LTC2970。

PSM基础

电源系统管理器提供关于电源的关键电压和电流读数的数字视图。这是该产品系列的一个强大特性：系统主机或LTpowerPlay可以支持电路板初始启动、调试、验证或收集基线数据，或者寻找趋势。虽然一些电源通道不需要精确的电流读数，但许多关键的输出通道需要高度精确的电流测量。

本文将介绍各种电流检测选项，包括成本、复杂性和精度之间的权衡。

图1.LTpowerPlay中的READ_IOUT遥测曲线

电流检测选项

LTC2971/LTC2972/LTC2974/LTC2975管理器能够精确测量输出电流。应尽可能使用这些器件，因为它们具有专用的电流检测引脚和PMBus命令，可提供以安培为单位的遥测值。

图2.使用串联分流器进行电流检测

例如，将I_SENSE线连接到分流器，配置几个寄存器，剩下的工作由芯片完成。芯片会将测得的电压转换为电流值。LTpowerPlay将电流实时显示为数值和遥测曲线。

图3.用于输出电流测量的PMBus寄存器设置

也可以使用LTC2977/LTC2979/LTC2980/LTM2987来测量输出电流，但是，READ_IOUT命令返回的是电压，必须由系统主机或LTpowerPlay将其转换为安培。实践中，这意味着固件（而不是芯片）必须存储串联分流器的值。

串联分流电阻并非检测电流的唯一方法。表2总结了DPSM系列可用的电流检测选项及其权衡。精度、成本、电路板空间和其他因素也需要考虑。

表2.电流检测选项总结

Shunt Resistor

分流电阻

Inductor DCR

电感DCR

IMON

Accuracy

精度

Very good

非常好

Good

良好

Good, however light load accuracy is generally not spec’d

良好，但一般不指定轻载精度

Output Path

输出路径

Lossy (IR drop)

有损（IR压降）

No additional losses

无额外损耗

Lossless

无损

Filter

滤波器

1-pole filter per pin

每引脚一个单极点滤波器

2-pole filter per pin

每引脚一个双极点滤波器

Single RC

单RC

Other

其他

Virtually no common-mode limitations, offset voltage on IMON pin on some devices

几乎没有共模限制，某些器件上的IMON引脚上有偏移电压

分流电阻检测

最常见的检测方法是使用分流电阻，有时也称为检流电阻。无论DC-DC转换器是开关稳压器还是线性稳压器，分流电阻都与输出串联。反馈电阻分压器连接到输出节点，使得分流器位于反馈环路内，这样当施加负载电流时，稳压器就能补偿分流电阻的IR压降，从而显著提高负载调整率。

图4.反馈回路内的检测电阻

用于将电压转换为电流的PMBus命令称为IOUT_CAL_GAIN。这是分流电阻的标称电阻。芯片通过I_SENSE引脚测量分流电阻上的小电压降，在内部执行转换，并使用READ_IOUT命令返回输出电流。芯片检测到的实际电压可通过MFR_IOUT_SENSE_VOLTAGE命令获得。芯片使用以下公式计算输出电流：

使用阻性分流器时，将MFR_IOUT_CAL_GAIN_TC值设置为制造商的规格以补偿温度变化。通常，大于10 mΩ的分流器具有较低的温度系数：<100 ppm/°C。

数据手册规格中列出了I_SENSE引脚上产生的最大差分检测电压。大多数LTC297x器件的差分电压以±170 mV为限，这为大多数应用提供了足够的范围。最大检测电压计算如下：V_SENSE = R_SNS × I_OUT(MAX)。通常，首先确定最大检测电压，R_SNS电流检测电阻计算如下：R_SNS = V_SENSE / I_OUT(MAX)。选择的最大检测电压应是一个足够大的信号，但又不会在输出路径中造成功耗问题或IR压降。50 mV至80 mV是一个很好的最大检测电压。选择电流检测电阻的物理尺寸，其功耗额定值应大于检测电阻的计算功耗：P_D= R_SNS × (I_OUT(MAX))²。

一种相关方法是增加一个以地为基准的电流检测放大器(CSA)，其提供单端输出，该输出被馈送到管理器的电流检测引脚。这种方法通常用于对高于大多数LTC297x管理器的6 V限值的电压轨进行电平转换。CSA应具有良好的高端共模性能。通常从被检测的电压轨和GND为此类器件供电。本文第二部分会详细介绍这种方法。

图5.用于更高电压轨的电流检测放大器

ADI公司提供了许多易于使用且小尺寸的非PSM μModule^®器件。PSM管理器是很好的配套器件，可控制上电时序并实施监控。大多数μModule器件都有内置电感，但有些还集成了上方反馈电阻，因此无法在反馈环路内添加外部分流电阻。应当选择允许使用外部上方反馈电阻以获得最高电压精度的µModule器件。

电感DCR检测

DCR检测是一种通过降压稳压器的输出电感检测电流的方法。电感可以用理想电感和一个称为DCR的串联电阻来建模（见图6）。这通常是高电流(>20 A)电源轨的首选方法。增加的阻性分流器是一个额外的元件，会消耗功率并产生热量。

要在电感上进行检测，必须能够接触到电感的两端，并且必须在检测点和LTC297x检测引脚之间插入一个滤波器网络。滤波器网络是一个两级差分RC低通滤波器。为了方便和减小尺寸，可以使用4元件电阻阵列。电阻值的选择应使IR压降足够小，以防止LTC297x输入电流造成误差，同时又足够大，以使电容值小于1 μF。

LTC2971/LTC2972/LTC2974/LTC2975数据手册提供了关于选择RC值的指南。

示例：

假设L = 2.2 µH，DCR = 10 mΩ，f_SW = 500 kHz

令Rcm1 = Rcm2 = 1 kΩ

图6.使用2极点低通滤波器的DCR电感检测

DCR检测可实现电流的无损测量，但由于电感绕组电阻或DCR的差异，精度会受到影响。电感DCR规格高达±10%或只有一个最大值的情况并不少见。实际的DCR值会因电感和批次而异。

另一种滤波方案仅使用两个电阻和两个电容，因而元件数量从八个减少到四个，但滤波器的性能不如图7所示的好。

图7.使用简化低通滤波器的DCR电感检测

PMBus配置

要利用PMBus命令配置LTC297x，可使用IOUT_CAL_GAIN命令设置分流电阻或电感DCR的标称值。对于铜线缠绕的电感，DCR会随着电感温度升高而增加，这会在READ_IOUT读数中引入误差。使用MFR_IOUT_CAL_GAIN_TC命令设置铜的温度系数可补偿此误差。在数据手册中，该值的默认值为3900 ppm/°C。用户可能需要调整该值以匹配电感，因为当导线是合金而非纯铜时，此参数可能会大幅改变。MFR_IOUT_CAL_GAIN_THETA表示热时间常数，可对其进行设置。LTC297x数据手册详细介绍了这些内容。

必须将温度传感器（二极管连接的双极性晶体管）靠近电感放置，以实现更准确的电流温度补偿。LTC2971/LTC2972/LTC2974/LTC2975器件具有连接到传感器的T_SENSE引脚。

IMON

IMON引脚在许多稳压器（包括开关和线性）中越来越受欢迎。这些稳压器有一个电流检测输出引脚，藉此可监视稳压器的负载电流。IMON方法的优点在于它是无损的，并且无需担心共模电压，因为LTC297x I_SENSE引脚不连接到V_OUT。IMON引脚是单端输出信号，代表输出电流的一小部分，它可以是电压输出或电流输出，需要一个电阻连接到GND。电流输出IMON引脚允许用户选择电阻值，从而设置最大满载电压。

单端电压可以是比电流分流器或电感DCR两端产生的电压大得多的信号。LTC2972和LTC2971器件甚至有一个配置位来支持更大的信号电平，它被称为imon_sense位。该位位于MFR_CONFIG命令中，是一个分页命令。

图8.MFR_CONFIG寄存器中的IMON位

选择的IMON电阻值应使得在所有负载条件下都能提供宽动态范围。一般情况下，IMON精度在中负载和重负载电流条件下较好，但在轻负载下会下降。有关更多详细信息，请查阅稳压器的数据手册规格。

图9.PSM利用IMON测量电流

一些稳压器将限流功能与IMON引脚结合在一起，该引脚可称为IMON/ILIM。请注意，所选的IMON电阻值不应使得IMON电压在满载时会激活限流电路。示例包括线性稳压器，例如LT3072和LT3086。其他例子有LT3094和LT3045等，一个ILIM引脚起到限流作用，可用作输出电流监视器。对于某些开关稳压器，该引脚可称为IMON，内置的限流功能可能并不明显。示例包括LT8652S和LT8708。限流电路具有折返功能，不会关闭输出。若要关闭输出，LTC298x会检测过流状况并将VOUT_EN拉低，从而禁用稳压器输出。

输入电流检测

一个电源系统可能有一个输入电源，其为多个下游稳压器供电。输入电源电流可由LTC2971、LTC2972或LTC2975进行测量。使用LTC2971/LTC2972/LTC2975测量IIN非常简单，因为这些器件原本就有将引脚连接到V_IN电流路径中的检测电阻RSNS的能力。IIN_SNS引脚的直接接线以V_IN电源为限，对于LTC2972/LTC2975而言，该值<15V；对于LTC2971而言，该值<60V。

图10.V_IN电流和电压检测

无论是测量输出电流还是输入电源电流，都有一个用户可编程PMBus寄存器可将检测电压转换为电流。测量输入电源电流时，使用PMBus寄存器MFR_IIN_CAL_GAIN，然后便可从READ_IIN寄存器读取输入电源电流。

图11.用于V_IN电流测量的PMBus寄存器

我们不仅可以测量电流，还可以测量电压。PMBus命令分别为READ_IIN和READ_VIN。利用电流、电压和时基，LTC2971/LTC2972/LTC2975还能计算输送给系统的功率和电能。蓄能器将在下一节中描述。

LTC2971能够检测60V电源轨上的输入电源电流。IIN_SNS引脚可以直接连到电源输入上的检测电阻。对于24V以上的电源电压，建议使用降压稳压器通过VPWR引脚为LTC2971供电，这样可节省功率并避免LTC2971自发热。由于 V_PWR × I_PWR会产生功耗，可能导致芯片温度升高到预期以上。ADP2360具有一个固定5 V选项，可为降压稳压器提供低成本、小尺寸的解决方案。

图12.使用LTC2971检测高压V_IN电流和电压

电能计量

监视电能使用可能很重要。无论输入电源是开关稳压器、太阳能电池板输出还是电池电源，了解系统消耗的总电能可能很有用。LTC2971/LTC2972/LTC2975能够检测输入电源的高端电流。此特性允许管理器测量输入电源电流。LTpowerPlay对于探索与输入电源电流和电能读数相关的特性非常有用。选择READ_EIN命令后，遥测窗口就会显示电能累计结果的实时曲线。

图13.LTpowerPlay绘制的实时电能图

电表还会测量输入电源电压，因此也能够报告输入功率。由于电能是功率和时间的乘积，因此累计电能是根据管理器的内部时基提供的。GUI右上角显示的仪表提供了更多信息。指针是输入功率（以瓦特为单位）的实时指示器，较小的五个刻度盘显示总累计电能，类似于家用电表。为方便起见，还提供了数字读数。

图14.LTpowerPlay中的电表

LTpowerPlay提供一个简单易懂的界面，其中汇集了输入和输出电流、电压、功率、电能读数。

输入电流、输入电压、输入功率和输入电能可以表格形式查看，这些值显示在GUI的遥测部分。MFR_EIN寄存器保存累计电能值（以毫焦耳为单位）。还有一个电能累计器处于活动状态的总时间，显示为MFR_EIN_TIME寄存器。当单位从mJ变为J再到kJ时，GUI会自动更新所显示的SI前缀。

图15.与输入电源电压、电流、功率和电能相关的遥测视图

表3总结了可以从LTC297x回读的所有遥测数据。寄存器是I²C/PMBus字读取，但MFR_EIN寄存器除外，它是块读取。

表3.遥测总结

Register Name 寄存器名称	LTC2971/LTC2972/LTC2975 LTC2971/LTC2972/LTC2975	LTC2974 LTC2974	LTC2977/LTC2979/ LTC2980/LTM2987 LTC2977/LTC2979/ LTC2980/LTM2987
READ_IOUT READ_IOUT
READ_VOUT READ_VOUT
READ_POUT READ_POUT
READ_IIN READ_IIN
READ_VIN READ_VIN
READ_PIN READ_PIN
MFR_EIN MFR_EIN

1. 如果设置了adc_hires位，则READ_VOUT值以mV为单位返回。L11格式。

2. 块读取，包括以mJ为单位的电能值和以ms为单位的经过时间。

作者简介

Michael Peters是ADI公司电源系统管理器件方面的高级应用工程师。他在模拟和数字电路领域拥有30多年的经验，包括在以前的公司从事存储器件工作的经验。他毕业于密歇根大学安娜堡分校，获电气工程学士学位。联系方式：michael.peters@analog.com。

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