多電流監控疑難解析

一些使用電池供電的系統會(huì )配備多個(gè)電流傳感器或功率監視器，在這類(lèi)系統中，多信道功率監視器將幫助設計人員大幅降低系統功耗和程序復雜性。具體來(lái)說(shuō)，與重復使用單信道組件相比，選擇多信道組件進(jìn)行功率測量時(shí)能夠降低至少38%的功耗。此外，由主機處理器維護的功率監控活動(dòng)可以進(jìn)入休眠模式，以保留更多的處理能力用于其他活動(dòng)。
 
遺憾的是，首先需要就命名法達成一致?，F在有多個(gè)不同的短語(yǔ)被用來(lái)指稱(chēng)這一組件類(lèi)別， 有些人稱(chēng)之為上橋臂電流傳感器（high-side current sensors）、電流傳感器（current sensor），或是功率監視器IC（power monitor IC）。這類(lèi)組件具有數字接口，輸入可直接連接到高于5V的電壓軌，可測量通過(guò)檢測電阻的電流、電壓和功率。這類(lèi)功率監視器具有一個(gè)既定優(yōu)勢，即能夠連接到較高的電壓。有些功率監視器最高可以承受100V的電壓，而其他中階組件最高只能承受32V的電壓。因此，有了這類(lèi)組件，便無(wú)需在高壓應用中使用外部組件。

圖一以一個(gè)簡(jiǎn)單的架構圖標來(lái)輔助說(shuō)明該組件類(lèi)別。ADI（Maxim，LT）、TI、Renesas（Intersil）和Microchip都有此類(lèi)組件。Maxim將這類(lèi)組件稱(chēng)為帶有數字輸出的電流傳感器，而ADI稱(chēng)這類(lèi)組件為功率監視器。TI和Microchip都將這類(lèi)組件稱(chēng)為電流/電壓/功率監視器，因此命名法的一致性得以延續。


 
圖一 : 主機處理器和模擬電流傳感器

既然命名法的問(wèn)題已經(jīng)解決了，我們來(lái)回顧一下這類(lèi)組件的一些優(yōu)勢，以及如何利用多通道版本來(lái)降低功耗。本文首先介紹整合ADC的主機處理器，主機需要持續通電以測量位于電路板上其他位置的電流傳感器。如果系統僅使用不超過(guò)5V的電源電壓，則可能只需要簡(jiǎn)單的運算放大器和電阻即可測量系統的功率。要降低監控活動(dòng)產(chǎn)生的系統功耗，可以執行周期性輪詢(xún)（periodic polling）。

然而，這并沒(méi)有解決關(guān)鍵電源軌需要更加主動(dòng)的管理的問(wèn)題。這種管理可用于測量和優(yōu)化電源效率或了解剩余電池壽命。在任一情況下，如果可以使用具有限值的獨立電流傳感器實(shí)現中斷功能，則主機處理器可以在較低功耗狀態(tài)下堅持更長(cháng)的時(shí)間。因此，在需要監控關(guān)鍵電源軌的應用中會(huì )發(fā)現一個(gè)缺陷，即主機處理器“always on”。

許多主機處理器還有另外一個(gè)缺陷，即如果要連接高于5V的更高電壓軌，則必須保護組件，如此可以看到上橋臂電流傳感器的優(yōu)勢?，F在，試想一個(gè)純模擬上橋臂電流傳感器。這類(lèi)電流傳感器的一般模式電壓高達100V以上。這類(lèi)組件可以直接連接到更高的電壓軌，無(wú)需外部保護組件。此外，這類(lèi)組件仍向主機控制器提供訊號，這些訊號代表系統中的電流和功率。

事實(shí)上，既然討論的主題是多信道功率監控，則應該注意，即使是模擬電流傳感器也有多信道選項。在此，模擬電流傳感器的主動(dòng)功耗通常等于單個(gè)組件的功耗乘以通道數。亦即假如單通道模擬電流傳感器（例如INA290）的最大靜態(tài)電流為600 μA，那么在相同的工作條件下，同一系列中的雙信道版本INA2290的靜態(tài)電流為1200 μA。

功率監視器IC
接著(zhù)介紹功率監控IC主題，這是一種混合訊號組件。對于選用“always on”的主機控制器和模擬電流傳感器的系統，下文將介紹功率監視器對其進(jìn)行改進(jìn)的方式。

首先，功率監視器獨立于主機控制器計算芯片功耗。該組件使用的方法仍與模擬電流檢測放大器相同，但比其更進(jìn)一步，可通過(guò)整合ADC和倍頻器實(shí)現功率的數字表示，然后再透過(guò)數字接口將該數字值傳輸到緩存器；由此提供數字功率計算。因此，系統主機處理器可以有下列的好處：
? 節省監控一個(gè)或多個(gè)模擬電流傳感器產(chǎn)生的軟件開(kāi)銷(xiāo)、縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間并降低程序復雜性;
? 縮短處于喚醒狀態(tài)的時(shí)間，同時(shí)傳感器可以累積數據。

其次，功率監視器還有一項附加優(yōu)勢，即可以通過(guò)使用共享通訊總線(xiàn)減少主機需要的接腳數。許多通用傳感器使用共享接口，因此可與額外的功率監視器、溫度傳感器和內存等共享這些總線(xiàn)。使用多個(gè)單通道模擬電流傳感器時(shí)則沒(méi)有這樣的優(yōu)勢，因為它們需要在主機上使用額外的接腳。此外，這也意味著(zhù)有更多的GPIO被作為一般功能使用。
第三，功率監視器允許系統等待警告訊號而不是輪詢(xún)讀數，因此可以降低主機功耗。在此等待期間，主機可以選擇保持在功耗較低的休眠或待機狀態(tài)，以節省更多的系統電池電量，同時(shí)由功率監視器監控關(guān)鍵電壓軌的偏差。

使用多通道功率監視器降低功耗
最后，敘述多信道功率監視器主題。與單信道組件有所不同，這類(lèi)多通道功率監視器能夠構建循環(huán)采樣和報告架構，進(jìn)而降低系統功耗。大多數公司都使用類(lèi)似的架構，因此將透過(guò)用于PAC1954的Microchip架構來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。

請注意，PAC1954組件具有一個(gè)用于測量Vsense的ADC，透過(guò)對這一功能模塊進(jìn)行多任務(wù)，可以測量和報告系統中四個(gè)檢測電阻的Vsense電壓。因此，與四個(gè)單通道電流傳感器相比，此架構所需的靜態(tài)功耗更低。


 
圖二 : PAC195x-1 功能架構圖

例如，如果將競爭對手的四信道電流傳感器的最大靜態(tài)電流與高質(zhì)量的單通道功率監視器進(jìn)行比較，可以看到將一個(gè)ADC用于四信道組件的既定優(yōu)勢。在85°C溫度下，以16位的分辨率進(jìn)行四信道測量時(shí)，競品組件消耗的最大電流為450 μA。在以16位的分辨率進(jìn)行單信道測量時(shí)，功率監視器消耗的最大電流為400 μA，也就是說(shuō)，四個(gè)通道總共消耗1600 μA。
最新的Microchip組件也可以執行上述計算?，F在，我們以雙通道功率監視器PAC1952為例，該組件在125°C溫度下消耗的最大靜態(tài)電流為495 μA。在功率測量方面，與競品組件消耗的最大靜態(tài)電流800 μA相比，系統功耗降低了1–（495/800） = 38%。

總結
使用多通道功率監視器IC可以帶來(lái)以下的優(yōu)勢：
? 節省軟件開(kāi)銷(xiāo)、縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間并降低程序復雜性；
? 縮短處于喚醒狀態(tài)的時(shí)間，同時(shí)傳感器可以累積數據；
? 減少主機上的接腳數或釋放更多的主機接腳以用作通用GPIO；
? 使用報警喚醒系統而不是輪詢(xún)偏差讀數，進(jìn)而降低主機功耗。

最重要的是，使用多通道功率監視器代替單通道功率監視器可以顯著(zhù)節省電能。正如來(lái)自多家供貨商的多個(gè)組件所示，基于共享ADC的架構，將有助于降低對系統電壓軌進(jìn)行功率監控時(shí)產(chǎn)生的功耗，最高可降低38%。
（本文作者M(jìn)itch Polonsky 為Microchip Technology混合及線(xiàn)性訊號產(chǎn)品部資深產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理）