一款切合實(shí)際的30A能量計

作者 / Christopher Gobok 凌力爾特公司(現隸屬 Analog Devices 公司)混合信號產(chǎn)品高級產(chǎn)品市場(chǎng)工程師

摘要：本文介紹了一款集成了 30A 檢測電阻器LTC2947。

引言

　　在很多應用中，監視能量都有很多類(lèi)似的好處。市面上廣泛提供手持式、機架式和直插式能量計，很多人都可以使用，例如，設施管理員可以用來(lái)跟蹤和分配設備或部門(mén)等使用的能量。能量計的使用也許還包括負載記錄與分析，這時(shí)比較預期能耗與當前能量使用情況，并根據其與已建立能量模型之間的偏差，標記需要關(guān)注的區域。通過(guò)調節負載，人們可以決定任何時(shí)刻可以連接到系統多少設備，例如電燈、電腦、電池等。電動(dòng)自行車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)可以報告它們的每英里能量使用情況，量化從電池抽取或返回電池的能量。

　　盡管能量監視應用豐富多彩，但是市場(chǎng)上卻極少有能量監視IC。很多系統設計師用功率監視IC應付，例如凌力爾特公司的100V LTC2945功率監視器，并用一個(gè)微處理器跟蹤功率和時(shí)間信息，同時(shí)計算能量。盡管不需要復雜的編碼，但是這種解決方案的主要缺點(diǎn)是牽制了計算資源。凌力爾特的100V LTC2946能量監視器是一款更加簡(jiǎn)練的解決方案，提供直接能量測量，用戶(hù)能夠靈活地選擇自己的檢測電阻器，但是當需要測量大電流時(shí)，挑戰就出現了。接下來(lái)就是凌力爾特早該推出的LTC2947能量監視器了，該器件集成了30A檢測電阻器，對如今要求最苛刻的應用而言，該器件能提供極其切合實(shí)際的能量監視。

再論檢測電阻器

　　使用以檢測電阻器作為電流檢測組件的功率或能量監視 IC進(jìn)行設計時(shí)，計算所需檢測電阻器通常是個(gè)非常容易的任務(wù)。只需應用歐姆定律，獲取數據轉換器的滿(mǎn)標度電壓，再除以負載電流即可。然后，去喜歡的電子組件分銷(xiāo)商的網(wǎng)站上查一下，看看有哪些真實(shí)的電阻器可用。直到開(kāi)始測量?jì)晌粩档碾娏鳛橹?，事情都足夠?jiǎn)單。

　　以L(fǎng)TC2946寬范圍I2C功率、電荷和能量監視器為例，該器件的滿(mǎn)標度電壓約為100mV。如果 LTC2946用來(lái)測量一個(gè)30A軌，那么需要3.3m?檢測電阻器，這種阻值的電阻器輕而易舉就可得到，但是這個(gè)電阻器會(huì )消耗2.9W功率!這個(gè)世界上即使有人，但也極少愿意為了簡(jiǎn)單的能量測量而消耗這么大的功率。此外，因為功率消耗很大，封裝絕對有可能是不“標準”的，因此相當昂貴。例如，Digi-Key銷(xiāo)售的 Vishay CSM3637P 3.3m?±1% 5W檢測電阻器，如圖 1a 所示，千片批購價(jià)為每片6.90美元!其6mmx 3mmx0.6mm大型金屬鋁箔封裝實(shí)際上使該電阻器成了一個(gè)難以安裝的5W散熱器。

　　如果用LTC2946測量較小的電流，例如6A軌，那么需要16m?檢測電阻器，功耗則是更可接受的 0.57W。Digi-Key銷(xiāo)售松下ERJ8CW 16m? ±1% 1W 檢測電阻器，如圖1b所示，千片批購價(jià)為每片0.09 美元，也可以接受。這款電阻器采用纖巧的3.2mm x1.6mmx0.65mm 1206封裝，不難安裝，也不會(huì )占用很大的電路板空間。其實(shí)，這構成了一個(gè)準確度為2.4%的能量監視解決方案，在-40℃至85℃工作溫度范圍內運行，對某些應用而言，這也許太不準確了。這個(gè)2.4%還不包括LTC2946和檢測電阻器之間的外部連接(即引線(xiàn)和走線(xiàn))產(chǎn)生的熱電偶效應導致的任何不準確性。

　　無(wú)論你想測量30A軌還是6A軌，一種更簡(jiǎn)單的方式以替代LTC2946的器件就是LTC2947能量監視器，如圖2所示，該器件集成了一個(gè)300μ?檢測電阻器，消除了使用外部檢測電阻器測量大電流的諸多難題，包括功耗、準確度、溫度漂移和尺寸問(wèn)題。當測量30A滿(mǎn)標度電流時(shí)，LTC2947集成的檢測電阻器上之壓降僅為10mV，從而導致僅約1/4W的功耗，或者測量6A軌時(shí)功耗為10mW。除了低功耗，由于其僅為-9mA(2.7μV)的低失調，LTC2947還提供很大的動(dòng)態(tài)范圍。經(jīng)過(guò)溫度補償的能量讀數確保在室溫時(shí)準確度為1.2%，在-40℃至85℃的整個(gè)溫度范圍內，準確度為1.5%。此外，LTC2947采用4mm x 6mm 32引腳QFN封裝，從而非常適用空間受限設計。

能量測量

　　LTC2947測量很多參數，包括電流、電壓、功率、電荷、能量、溫度和時(shí)間。參見(jiàn)圖3所示方框圖。LTC2947采用3個(gè)ΔΣADC，其中，兩個(gè)測量電壓和電流，第三個(gè)ADC計算功率。在連續模式，ADC連續并同時(shí)測量電流、電壓、功率和溫度，且每隔100ms更新一次相應的內部寄存器。單穩態(tài)模式觸發(fā)一組循環(huán)測量。當無(wú)需進(jìn)行測量時(shí)，LTC2947可進(jìn)入停機模式，這時(shí)總電流消耗降至不到10μA，或進(jìn)入空閑模式，這時(shí)所有電路保持有效，并準備進(jìn)入連續、單穩態(tài)或停機模式。

　　LTC2947 1.3%的能量測量準確度確實(shí)得益于其計算功率的獨特方法。與現有功率監視器以一個(gè)ADC的轉換速率倍增功率不同，LTC2947執行了一種獨特的測量方案，可實(shí)現最大的功率測量準確度。LTC2947中的3個(gè)ADC各針對一項特定的任務(wù)量身打造。第一個(gè)ADC負責測量-30A至30A的電流，并運用連續失調校準確保以相同的權重對所有的輸入采樣進(jìn)行平均處理，并且不會(huì )漏失任何采樣。

　　第二個(gè)ADC在第一個(gè)ADC測量電流的同時(shí)測量?jì)炔繙囟群筒罘蛛妷?。溫度被報告給主機，并在內部被LTC2947用來(lái)補償內部電流檢測電阻器的溫度漂移，從而實(shí)現更加準確的電流測量。由于LTC2947具有0V至15V的軌至軌工作范圍，因此它適用于多種類(lèi)型的系統。不僅額定絕對最大值為20V的電源和檢測引腳為12V應用提供了很大的儲備空間，而且零伏(0V)檢測監視能力在監視短路或斷電情況下的電流水平方面同樣是十分有用。0V電壓下的故障電流水平能夠立即指示電源或負載是否已經(jīng)損壞，并不需要增加額外的電路。

　　測量功率和能量時(shí)，LTC2947的“秘密武器”確實(shí)藏在第三個(gè)ADC中，在進(jìn)行任何轉換平均之前，這個(gè)ADC在5MHz采樣頻率時(shí)乘以電流和電壓。你知道，在典型的功率或能量監視IC中，用一個(gè)或兩個(gè)ADC測量電流和電壓，結果相乘以得到功率。然而，因為通常使用ΔΣADC，所以用來(lái)相乘的值是平均電流值和平均電壓值，這總是會(huì )導致一些功率誤差。LTC2947并未進(jìn)行平均值的乘法運算，而是把電流和電壓的原始(在抽取濾波器之前)讀數相乘，然后轉換結果。這就使LTC2947能夠在電流和電壓變化高達50KHz時(shí)，準確地測量功率，這種變化遠遠超出其轉換頻率范圍。例如，如果從一個(gè)阻抗極大的電池吸取功率，就有可能發(fā)生這種情況。

　　圖4顯示了一個(gè)在20μs時(shí)間間隔內改變相位的電流和電壓波形的例子，還顯示了典型功率或能量監視IC以及LTC2947是怎樣以不同的方式計算功率的。在典型功率或能量監視IC中，功率是由平均電流乘以平均電壓得出的。在LTC2947中，功率是通過(guò)采樣(在這個(gè)例子中，使用了兩個(gè)采樣)相乘之后再平均得出的。LTC2947計算出的0.218W功率更接近實(shí)際功率，而典型功率或能量監視IC得出的0.234W功率有7.3%的誤差。LTC2947避免了這種誤差，并在信號直至50kHz時(shí)都保持準確。

　　由于電荷是隨著(zhù)時(shí)間推移所消耗的電流量，而能量則是隨著(zhù)時(shí)間推移產(chǎn)生的用電量，因此LTC2947對電流和功率進(jìn)行時(shí)間積分，以計算流至負載或從負載流出的電荷和能量。另外，該器件還記錄用于積分運算的總累積時(shí)間，這里，積分時(shí)基可以由1%準確度的內部時(shí)鐘或一個(gè)100KHz至25MHz的外部時(shí)基提供。在電荷僅僅是準確地確定電池充電狀態(tài)(SoC)的諸多前提條件之一的電池應用中，電荷數據會(huì )特別有用。此外，能量數據在日常應用中還被證明是更加常用的，因為它可實(shí)現動(dòng)態(tài)加載，而不是依賴(lài)靜態(tài)功率讀數以執行操作。

數字功能的便利性

　　LTC2947提供眾多便利的數字功能，可簡(jiǎn)化設計。最明顯的數字功能是集成了乘法器和累加器，從而為用戶(hù)提供了24位功率以及48位能量和電荷數據，減輕了大量輪詢(xún)電壓和電流數據并執行額外計算的負擔。單獨的1.8V至5.5V數字電源使用戶(hù)能夠以不同于所監視電源的電壓運行邏輯電平。

　　LTC2947針對電流、電壓、功率和溫度提供最小值和最大值寄存器，因此無(wú)需軟件連續輪詢(xún)，使總線(xiàn)和主機有時(shí)間執行其他任務(wù)。除了檢測和存儲最小/最大值，LTC2947還提供門(mén)限寄存器，可用來(lái)在任何門(mén)限被超過(guò)時(shí)發(fā)布警報，因此也無(wú)需微處理器不斷輪詢(xún)LTC2947并分析數據。在提供了規定量的能量或電荷之后，或者當超過(guò)了預設定的時(shí)間后，LTC2947還可配置為產(chǎn)生一個(gè)溢出警報。就能量監視器而言，警報響應可能與最小值和最大值寄存器一樣有用，因此該器件提供了單獨的警報寄存器，允許用戶(hù)按照SMBus警報響應協(xié)議，選擇針對哪個(gè)參數發(fā)出警報響應，這時(shí)廣播警報響應地址(AlertResponseAddress，簡(jiǎn)稱(chēng)ARA)，同時(shí)，ALERT引腳被拉低，以通知主機發(fā)生了警報事件。

　　用戶(hù)可以用引腳配置LTC2947，以支持標準SPI或I2C接口，與外部世界通信。有6個(gè)I2C器件地址可用，因此可以非常方便地將多個(gè)LTC2947設計到同一個(gè)系統中。阻塞總線(xiàn)復位定時(shí)器使內部I2C狀態(tài)機復位，以在無(wú)論什么原因而使I2C信號保持低電平超過(guò)50ms(阻塞總線(xiàn)情況)時(shí)，允許恢復正常通信。這種廣受歡迎的阻塞總線(xiàn)保護功能可防止主機需要手工排除總線(xiàn)被固定在低電平上的故障，這種故障可能導致破壞性、昂貴和耗時(shí)的系統復位問(wèn)題。LTC2947還提供分割的I2C數據線(xiàn)，因此無(wú)需使用I2C分配器或組合器實(shí)現雙向傳輸以及跨隔離邊界接收數據，這樣就非常方便了。

結論

　　LTC2947是一款便利的電路板級能量監視器，集成了一個(gè)300μ?檢測電阻器，消除了往往在測量大電流時(shí)出現的常見(jiàn)檢測電阻器挑戰。無(wú)論電流大小，3個(gè)ADC都獨特地設計以為用戶(hù)提供高度準確的電流、電壓、功率、能量、電荷、溫度和時(shí)間讀數。-30A至30A電流范圍和0V至15V電壓范圍允許LTC2947可采用在多種應用中，包括存在雙向電流的應用。

　　LTC2947提供乘法器、累加器、最小/最大值寄存器、可配置警報和功能非常強大的SPI或I2C接口，但是其模擬功能之強與其大量節省資源的數字功能不相上下。LTC2947僅占用24mm2電路板面積，是凌力爾特功率監視產(chǎn)品線(xiàn)中迄今為止最切合實(shí)際的器件。

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第9期第33頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。