用高壓I2C電流和電壓監視器進(jìn)行測量

摘要：采用分立組件和其它電源監視器的傳統實(shí)施方法在復雜性、功能或性能方面往往達不到要求，LTC4151提供一種簡(jiǎn)單但非常有效的方法來(lái)監視電流、電壓和溫度。本文介紹了一個(gè)通用電源監視器LTC4151如何應對多種應用的功能需求。
關(guān)鍵詞：電源監視 ；高端檢測 ；低端檢測；LTC4151

引言

　　由于今天電子產(chǎn)品設計的復雜性不斷提高，所以管理功耗和優(yōu)化總體效率變得更加重要。從工業(yè)和電信應用到汽車(chē)和消費電子產(chǎn)品的所有產(chǎn)品中，準確的電源電壓和電流監視對節省功率和保證可靠性都是至關(guān)重要的。

　　監視至一個(gè)系統的電源輸入需要多種組件。為了測量電流，需要一個(gè)檢測電阻和放大器，而且如果放大器共模范圍擴展到正的電源軌并將其輸出轉換到地是最方便的。需要精確電阻分壓器來(lái)測量電壓，而且如果有多于 1 個(gè)電壓要監視，那么還必須給這個(gè)組件表增加一個(gè)多路復用器。下一個(gè)是具有精確基準和一些與微處理器連接途徑的模數轉換器 (ADC)，同時(shí)也許與相鄰 IC 共享 I/O 線(xiàn)。由于找到合適組件的總體復雜性和困難，電源監視最好的方法就是集成式解決方案。

　　LTC4151 為發(fā)揮這一作用而開(kāi)發(fā)。它含有形成一個(gè)完整電源監視系統所需的功能構件 (參見(jiàn)圖 1)。它在 7~80V 的范圍內工作，同時(shí)監視電源軌的電流、它自己的電源電壓和一個(gè)附加的電壓輸入。為實(shí)現靈活性，檢測電阻是外部的，從而允許 LTC4151 準確地監視范圍從 mA 到 A 或更大的電流。該 ADC 具有 12 位分辨率和 1% 的總未調整電壓誤差以及 1.25% 總未調整電流誤差。外部 ADIN 輸入的總未調整誤差 (TUE) 僅為 0.75%。數字通信通過(guò) I2C 進(jìn)行，有 9 個(gè)設備地址選擇。


圖1  簡(jiǎn)化的 LTC4151 方框圖

　　由于寬工作范圍，LTC4151 在從電信到汽車(chē)的系統中很有用。通過(guò)在一個(gè)單芯片解決方案中集成所有必需的功能構件，電源監視在分立解決方案由于空間或成本而不可能的應用中變得切實(shí)可行了。

簡(jiǎn)單與復雜

　　LTC4151 應用于很多復雜、空間受限和低壓的應用，包括 RAID 系統、電信和工業(yè)計算機/控制系統。幸運的是，這個(gè)器件僅需要少數簡(jiǎn)單連接，并采用了小型 MS10 或纖巧 3mm x 3mm DFN 封裝。視系統而定，該監視 IC 可位于背板或可插拔板卡上；圖 2 是后者的一個(gè)例子，顯示 LTC4151 監視至 12V DC/DC 轉換器的輸入電流和電壓。這里，低壓輸入 ADIN 用來(lái)測量該轉換器的 5V 輸出，而 I2C 直接連接到微處理器。所需要的外部組件僅為一個(gè)檢測電阻和兩個(gè)總線(xiàn)上拉電阻。


圖 2  LTC4151 在 12V 應用中使高端檢測變得簡(jiǎn)單

　　LTC4151 提供相對簡(jiǎn)單直接的連接，同時(shí)遠離與低端檢測有關(guān)的風(fēng)險。由于固有的簡(jiǎn)單性，低端檢測 (檢測電阻與負載地串聯(lián)) 是一個(gè)有吸引力的監視電源電流的方法。通過(guò)允許 ADC 直接測量檢測電阻的壓降，或用一個(gè)簡(jiǎn)單的前置放大器，它去除了對特殊放大器的需求。不幸的是，極少有負載真正以這種方式浮動(dòng)而允許接地通路開(kāi)路。這個(gè)電路還帶來(lái)一種潛在安全危害，因為一個(gè)出故障或斷接的低端檢測電阻允許負載地升高至滿(mǎn)電源電壓。

　　由于這些原因，幾乎總是優(yōu)先選擇高端檢測，然而高端檢測很難實(shí)現。這是因為 ADC 必須測量連接到正軌的檢測電阻兩端的壓降，該正軌常常為遠超出 ADC 本身范圍的電壓。此外，小的檢測電阻壓降 (在這種情況下為 20mV/A) 就一個(gè) 12 位轉換器而言太小，因為動(dòng)態(tài)范圍的大部分都浪費了。需要一個(gè)特殊放大器，一個(gè)能檢測高正電壓軌同時(shí)給以地為基準的 ADC 提供輸出的放大器。LTC4151 不僅解決了在高壓軌測量的問(wèn)題，而且由于檢測放大器的 25 倍增益，該 12 位轉換器還完成了 16-1/2 位轉換器的工作。

“正壓”非常出色

　　高端電流監視的問(wèn)題由于電源電壓提高而加重。LTC4151 具有本身值得注意的規格，考慮一下其它監視解決方案是多么棘手和受限，而 LTC4151 以高達 +80V 工作！

　　就 7V 至 80V 的電源而言， LTC4151 保持高精確度，從而涵蓋具有 12V、24V 或 48V 電源電壓的應用，包括服務(wù)器、海量存儲設備和很多其它系統。圖 3 顯示了在一個(gè) 48V 應用中的 LTC4151。ADIN 通過(guò)測量一個(gè)二極管的壓降監視溫度。電源引腳的絕對最大電壓和兩個(gè)檢測輸入引腳是 90V，這幫助該 IC 耐受高壓瞬態(tài)而不被損壞。這種寬輸入電壓范圍允許 LTC4151 直接連接到高壓電源，而無(wú)需第二個(gè)電源。

圖 3  LTC4151 在 48V 應用中監視電流、電壓和溫度

　　高壓應用會(huì )歡迎 LTC4151 提供的準確度。測量 SENSE 引腳上的電流時(shí)，最大總的未調整誤差(TUE) 為 ±1.25%。滿(mǎn)標度電流檢測電壓為 81.92mV，且具有 20uV/LSB 的分辨率。這種準確度就大多數應用而言是足夠充分的，就算這不是好于分立解決方案的準確度，也是可與其比較的。通過(guò)內部精確衰減器測量 VIN 上的電壓時(shí)，TUE 為 ±1%，且具有 102.4V 的滿(mǎn)標度電壓和 25mV/LSB 的分辨率，從而在更低和更高的電壓上提供足夠的分辨能力。最后，在 ADIN 引腳獲取電壓讀數時(shí)，TUE 為 ±0.75%，且具有 2.048V 的滿(mǎn)標度電壓和 25mV/LSB 的分辨率。這些準確度數字在 -40°C 至 85°C 的工業(yè)溫度范圍內都是有效的。

某些“負壓”也可接納

　　有些應用，尤其在電信系統中，于負電壓工作并消耗大量電流，在這類(lèi)應用中，電源監視也許不那么簡(jiǎn)單直接。LTC4151 能夠很平等地監視正和負電壓。盡管 LTC4151 具有一個(gè)停機引腳以在低功率應用中將靜態(tài)電流降至 120uA (在 12V)，但是 LTC4151-1 版本用提供簡(jiǎn)單光隔離的第二個(gè) I2C 數據引腳取代了這個(gè)引腳，從而方便了該器件在高負壓應用中的使用。光耦合器的使用允許主控制器位于來(lái)自電源監視器的不同地電平上。

　　圖 4 顯示 LTC4151-1 如何連接到一個(gè) -48V AdvancedTCA (ATCA) 應用中的光耦合器。一條分路 I2C 數據線(xiàn)、SDAI (數據輸入) 引腳和獨特的 SDAO# (負數據輸出) 引腳方便地消除了為雙向傳輸和數據接收而使用 I2C 分路器或合并器的需求。由于所有 I2C 信號都被箝位，而且上拉電阻都能夠直接連接到 -48V 電源，所以也消除了對一個(gè)單獨上拉電源的需求。注意，Vin 端的電壓在檢測電阻的上行側測量，以實(shí)現更高的準確度，而且假定 LTC4151-1 的靜態(tài)電流在與 DC/DC 轉換器的負載相比時(shí)可以忽略不計，轉換器負載就 ATCA 應用而言通常在安培量級。該圖還顯示怎樣能用 ADIN 引腳來(lái)利用一個(gè)熱敏電阻測量線(xiàn)路板溫度。

圖 4   LTC4151 與 -48V ATCA 應用中的隔離勢壘連接

　　不管一個(gè)應用是否需要隔離，LTC4151 都在返回來(lái)向輪詢(xún)主機報告時(shí)提供一些便利的功能。I2C 接口具有一個(gè)阻塞總線(xiàn)復位定時(shí)器，該定時(shí)器復位內部 I2C 狀態(tài)機，以在 I2C 信號保持低電平超過(guò) 33ms (阻塞總線(xiàn)狀態(tài)) 時(shí)允許恢復正常通信。除此以外，LTC4151 還可以連續或以單個(gè)瞬像模式報告數據。在連續掃描模式，LTC4151 以 7.5Hz 的刷新率順序測量 SENSE 引腳之間、VIN 和 ADIN 端的電壓。在瞬像模式，主控制器指示 LTC4151 在任何信號端執行一次性測量，非常適用于僅需要偶爾測量輸入電源的應用。I2C 接口和兩種報告模式一起使 LTC4151 非常適合于數字電源監視。

結論

　　LTC4151 是一個(gè)通用型電源監視器，具有幫助應對種類(lèi)繁多應用的功能。采用分立和其它電源監視器的傳統實(shí)施方案在復雜性、功能性或性能方面往往達不到要求，但是 LTC4151 通過(guò)提供一個(gè)簡(jiǎn)單且非常有效的方法以監視電流、電壓和溫度，從而有能力應對這種情況。包括內部檢測放大器、增量累加 ADC 和 I2C 接口在內的高性能基本構件確保數字讀數準確和精確。高壓應用可以利用 90V 絕對最大額定值，同時(shí)該 IC 的全部靈活性適用于用戶(hù)監視負電壓，包括一個(gè)方便隔離的選項。確實(shí)，LTC4151 的好處難以量度，因為它允許設計師在實(shí)現一個(gè)可靠的電源監視電路上花更少的時(shí)間，因此實(shí)現這樣的電路不再是一個(gè)難以承擔的任務(wù)了。

參考文獻：

[1]Reyes D.Power Monitor for Automotive and Telecom Applications Includes ADC and I2C Interface[R]. Linear Technology，2008
[2] LTC4151 Datasheet[R]. Linear Technology，2008