采用MAX5977雙域電流監測應用電路

　　如何利用MAX5977(＄1.4443) 熱插拔控制器和單路ADC，準確監測兩個(gè)不同量程的負載電流：大功率主系統電流和低功率輔助系統電流。MAX5976(＄2.0196)集成MOSFET功率開(kāi)關(guān)，為輔助系統提供簡(jiǎn)單、高性?xún)r(jià)比功率控制。盡管MAX5977組合了兩個(gè)不同“域”的監測功能，但兩個(gè)“域”的保護和控制完全獨立，提高了可靠性和安全性。當存儲、處理或網(wǎng)絡(luò )接口卡用于高可用性（始終保持工作狀態(tài)）系統時(shí)，必須采用熱插拔控制器。負載卡插入系統或從系統拔出時(shí)，這種熱插拔電路控制其電源的打開(kāi)和關(guān)閉。它還防止系統在板卡故障條件下發(fā)生過(guò)流。一些更先進(jìn)的熱插拔控制器還具有負載電壓、電流監測功能，可用于計算負載功率。這種信息對于優(yōu)化效率、制冷及分配有限的電源輸出非常有用。本文介紹了如何利用MAX5977熱插拔控制器和一路ADC，精確監測兩個(gè)獨立“域”的負載電流，而MAX5976集成的MOSFET功率開(kāi)關(guān)為輔助“域”的電源控制提供了簡(jiǎn)單、高性?xún)r(jià)比方案。

　　MAX5977校準功能

　　Maxim的MAX5977能夠支持熱插拔控制器常見(jiàn)功能，驅動(dòng)高邊n溝道MOSFET開(kāi)關(guān)控制導通壓擺率，并保護過(guò)流。此外，MAX5977還具有高精度電流檢測跨導放大器，增益為2500µA/V，將檢測信號饋送到外部ADC，進(jìn)行負載電流監測。為了精確校準電流檢測系統，MAX5977可以將其跨導放大器的輸入切換到“校準檢測”輸入。該功能由CAL輸入控制。

　　CAL為邏輯低時(shí)，電流檢測放大器檢測IN和SENSE之間的電壓，于是在CSOUT輸出一路等于（VIN- VSENSE） × 2500µA/V的電流，用于正常工作模式下的電流監測。然而，如果CAL被驅動(dòng)為邏輯高，MAX5977將電流檢測放大器的負輸入切換至 CALSENSE，于是CSOUT電流等于（VIN- VCALSENSE） × 2500µA/V。如果在IN和CALSENSE之間加一個(gè)精密電壓，該模式可用于采集數據，用于放大器和ADC的增益和漂移校準。MAX5977的這種典型應用如圖1所示，其中用精密流入電流源和校準電阻建立CALSENSE信號。

　　圖1. MAX5977典型應用，帶有滿(mǎn)幅電流檢測校準信號。

　　測量?jì)蓚€(gè)電源域的電流

　　因為MAX5977的校準功能本質(zhì)上是一個(gè)用于精密電流檢測放大器的輸入復用器，所以只要兩個(gè)電阻被連接于一個(gè)共用IN電位，就可將其用于交替測量電流檢測電阻。圖2所示為一個(gè)基本應用電路。主電流檢測電阻連接至SENSE輸入，輔助（內務(wù)域）檢測電阻連接至CALSENSE輸入。所以可獨立測量?jì)蓚€(gè)域的負載電流。MAX5977為高功率域提供控制和保護，簡(jiǎn)單集成的負載開(kāi)關(guān)（例如MAX5976），控制和保護低功率內務(wù)域。

　　圖2. MAX5977用于雙域電流監測的應用電路。

　　微控制器采集和處理被ADC數字化的負載電流數據，ADC可為外部或集成至微控制器本身。為了測量主電流，微控制器驅動(dòng)CAL為低電平，短暫等待CSOUT 達到穩定，然后命令ADC進(jìn)行轉換并報告結果。同樣，為了測量輔助輸入，微控制器將CAL驅動(dòng)為高電平，重復相同的基本序列。

　　因為兩個(gè)域的跨導輸出信號共用同一CSOUT、增益設置電阻，所以應選擇輔助和主電流檢測電阻的值來(lái)簡(jiǎn)化定標或提供最佳分辨率。為了簡(jiǎn)化定標及主和輔助電流求和，檢測電阻應采用相同值。這樣就允許兩個(gè)電流測量值直接求和，確定兩個(gè)域的總電流。為了獲得最佳分辨率，兩個(gè)電流檢測信號應有相同的滿(mǎn)幅輸出電壓送至ADC。選擇的主和輔助檢測電阻的值與兩個(gè)域的最大負載電流具有相同的比值。

　　這可確保兩個(gè)域在滿(mǎn)荷條件下在CSOUT上的滿(mǎn)幅輸出相同。例如，圖1電路的主通路采用1mΩ，輔助通路采用20mΩ，意味著(zhù)滿(mǎn)荷主電流將為滿(mǎn)荷輔助電流的20倍。作為方便求和與獲得良好分辨率的折中方案，選擇的輔助檢測電阻可為主檢測電阻的2的整次方倍。該倍數應近似為以上所述的最大負載電流比值。采用這種方法，微控制器中簡(jiǎn)單的二進(jìn)制左移位操作即可將主電流轉換結果縮放為相同單位的輔助電流結果。

　　定時(shí)和采樣

　　圖3中的MAX5977驅動(dòng)40.0kΩ CSOUT電阻，CAL以20kHz開(kāi)關(guān)。本例中，VIN- VSENSE= 5mV，VIN- VCALSENSE= 25mV。CAL為低電平時(shí)，VCSOUT為5mV × 2500µA/V × 40.0kΩ = 500mV；CAL為高電平時(shí)，VCSOUT= 25mV × 2500µA/V × 40.0kΩ = 2500mV。這些電平分別對應于2.5V ADC滿(mǎn)幅輸出的的20%和100%。原始CSOUT信號在CAL上升或下降沿的10µs內能很好地穩定。當增加MAX4236(＄1.0404)精密放大器來(lái)調理和緩沖高阻CSOUT信號時(shí)，其0.3V/µs的典型輸出擺率足以提供近似的相同穩定時(shí)間。

　　應用中可能會(huì )采用MAX1393(＄1.5667)真差分、12位SAR ADC數字化經(jīng)緩沖的CSOUT信號。對于SPI™驅動(dòng)ADC，一次轉換需要16個(gè)串行總線(xiàn)時(shí)鐘周期。在2MHz串行數據率下，可在8µs內完成轉換。實(shí)際上，因為該ADC采用了采樣-保持輸入電路，所以實(shí)際轉換可能發(fā)生在CAL輸入被切換且CSOUT穩定至新值時(shí)。圖4所示為緩沖CSOUT信號及以 10ksps為采樣每路信號提供串行數據時(shí)鐘定時(shí)的例子。

　　圖4. MAX1393 ADC為兩個(gè)電源域采樣負載電流，均為10ksps。

　　使用MAX5977校準功能測量?jì)陕凡煌碾娏魍肪哂卸囗梼?yōu)勢。校準功能本身無(wú)需外部復用器，能處理檢測電阻處的高共模電壓，降低了尺寸和復雜性。僅需一個(gè)ADC，大大降低了方案的成本。因為兩種測量使用相同的電流檢測放大器和增益設置電阻，所以?xún)蓚€(gè)域的測量精度相同。如果希望對電流檢測信號濾波，可圍繞緩沖放大器實(shí)現，僅需一組濾波器元件。該方案還增加了靈活性，因為微控制器可根據情況分配測量主和輔助電流的時(shí)間和資源。例如，可交替測量?jì)蓚€(gè)域?；蛘呦到y可主要集中于測量和監測主通路，僅僅偶爾“抽檢”輔助通路。也就是說(shuō)，可根據工作狀態(tài)在主和輔助通路之間分配系統的監測“帶寬”。盡管MAX5977組合了兩個(gè)域的監測功能，但兩個(gè)域的保護和控制是完全獨立的，提高了可靠性和安全性。

　　與專(zhuān)用的電流檢測放大器相比，MAX5977的校準功能非常獨特，MAX5977熱插拔和電子斷路器功能組合尤其值得注意。它不僅可用于實(shí)現在線(xiàn)校準，而且亦可用于測量?jì)蓚€(gè)獨立電源域的負載電流，簡(jiǎn)化高可靠性負載卡的設計和工作。