用高壓I2C電流和電壓監視器進行測量

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

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/91770.htm

引言

　　由於今天電子產品設計的複雜性不斷提高，所以管理功耗和優化總體效率變得更加重要。從工業和電信應用到汽車和消費電子產品的所有產品中，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重要的。

　　監視至一個系統的電源輸入需要多種組件。為了測量電流，需要一個檢測電阻和放大器，而且如果放大器共模範圍擴展到正的電源軌並將其輸出轉換到地是最方便的。需要精確電阻分壓器來測量電壓，而且如果有多於 1 個電壓要監視，那麼還必須給這個組件表增加一個多路復用器。下一個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)，同時也許與相鄰 IC 共享 I/O 線。由於找到合適組件的總體複雜性和困難，電源監視最好的方法就是集成式解決方案。

　　LTC4151 為發揮這一作用而開發。它含有形成一個完整電源監視系統所需的功能構件 (參見圖 1)。它在 7~80V 的範圍內工作，同時監視電源軌的電流、它自己的電源電壓和一個附加的電壓輸入。為實現靈活性，檢測電阻是外部的，從而允許 LTC4151 準確地監視範圍從 mA 到 A 或更大的電流。該 ADC 具有 12 位解析度和 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 I2C 進行，有 9 個設備地址選擇。


圖1  簡化的 LTC4151 方框圖

　　由於寬工作範圍，LTC4151 在從電信到汽車的系統中很有用。通過在一個單晶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於空間或成本而不可能的應用中變得切實可行了。

簡單與複雜

　　LTC4151 應用於很多複雜、空間受限和低壓的應用，包括 RAID 系統、電信和工業計算機/控制系統。幸運的是，這個器件僅需要少數簡單連接，並採用了小型 MS10 或纖巧 3mm x 3mm DFN 封裝。視系統而定，該監視 IC 可位於背板或可插拔板卡上；圖 2 是後者的一個例子，顯示 LTC4151 監視至 12V DC/DC 轉換器的輸入電流和電壓。這裡，低壓輸入 ADIN 用來測量該轉換器的 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檢測電阻和兩個總線上拉電阻。


圖 2  LTC4151 在 12V 應用中使高端檢測變得簡單

　　LTC4151 提供相對簡單直接的連接，同時遠離與低端檢測有關的風險。由於固有的簡單性，低端檢測 (檢測電阻與負載地串聯) 是一個有吸引力的監視電源電流的方法。通過允許 ADC 直接測量檢測電阻的壓降，或用一個簡單的前置放大器，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而允許接地通路開路。這個電路還帶來一種潛在安全危害，因為一個出故障或斷接的低端檢測電阻允許負載地升高至滿電源電壓。

　　由於這些原因，幾乎總是優先選擇高端檢測，然而高端檢測很難實現。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 本身範圍的電壓。此外，小的檢測電阻壓降 (在這種情況下為 20mV/A) 就一個 12 位轉換器而言太小，因為動態範圍的大部分都浪費了。需要一個特殊放大器，一個能檢測高正電壓軌同時給以地為基準的 ADC 提供輸出的放大器。LTC4151 不僅解決了在高壓軌測量的問題，而且由於檢測放大器的 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

　　高端電流監視的問題由於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麼棘手和受限，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，包括伺服器、海量存儲設備和很多其它系統。圖 3 顯示了在一個 48V 應用中的 LTC4151。ADIN 通過測量一個二極體的壓降監視溫度。電源引腳的絕對最大電壓和兩個檢測輸入引腳是 90V，這幫助該 IC 耐受高壓瞬態而不被損壞。這種寬輸入電壓範圍允許 LTC4151 直接連接到高壓電源，而無需第二個電源。

圖 3  LTC4151 在 48V 應用中監視電流、電壓和溫度

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

某些「負壓」也可接納

　　有些應用，尤其在電信系統中，於負電壓工作並消耗大量電流，在這類應用中，電源監視也許不那麼簡單直接。LTC4151 能夠很平等地監視正和負電壓。儘管 LTC4151 具有一個停機引腳以在低功率應用中將靜態電流降至 120uA (在 12V)，但是 LTC4151-1 版本用提供簡單光隔離的第二個 I2C 數據引腳取代了這個引腳，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於來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 -48V AdvancedTCA (ATCA) 應用中的光耦合器。一條分路 I2C 數據線、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 分路器或合併器的需求。由於所有 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，以實現更高的準確度，而且假定 LTC4151-1 的靜態電流在與 DC/DC 轉換器的負載相比時可以忽略不計，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 引腳來利用一個熱敏電阻測量線路板溫度。

圖 4   LTC4151 與 -48V ATCA 應用中的隔離勢壘連接

　　不管一個應用是否需要隔離，LTC4151 都在返回來向輪詢主機報告時提供一些便利的功能。I2C 接口具有一個阻塞總線復位定時器，該定時器復位內部 I2C 狀態機，以在 I2C 信號保持低電平超過 33ms (阻塞總線狀態) 時允許恢復正常通信。除此以外，LTC4151 還可以連續或以單個瞬像模式報告數據。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，非常適用於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 非常適合於數字電源監視。

結論

　　LTC4151 是一個通用型電源監視器，具有幫助應對種類繁多應用的功能。採用分立和其它電源監視器的傳統實施方案在複雜性、功能性或性能方面往往達不到要求，但是 LTC4151 通過提供一個簡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，同時該 IC 的全部靈活性適用於用戶監視負電壓，包括一個方便隔離的選項。確實，LTC4151 的好處難以量度，因為它允許設計師在實現一個可靠的電源監視電路上花更少的時間，因此實現這樣的電路不再是一個難以承擔的任務了。

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