電流檢測有“神器”！

表1. LTC297x DPSM器件系列

圖 1. LTpowerPlay 中的 READ_IOUT 遙測曲線

圖 2. 使用串聯(lián)分流器進行電流檢測

例如，將I_SENSE線連接到分流器，配置幾個寄存器，剩下的工作由芯片完成。芯片會將測得的電壓轉(zhuǎn)換為電流值。LTpowerPlay將電流實時顯示為數(shù)值和遙測曲線。

圖 3. 用于輸出電流測量的 PMBus 寄存器設(shè)置

也可以使用LTC2977/LTC2979/LTC2980/LTM2987來測量輸出電流，但是，READ_IOUT命令返回的是電壓，必須由系統(tǒng)主機或LTpowerPlay將其轉(zhuǎn)換為安培。實踐中，這意味著固件（而不是芯片）必須存儲串聯(lián)分流器的值。

串聯(lián)分流電阻并非檢測電流的唯一方法。表2總結(jié)了DPSM系列可用的電流檢測選項及其權(quán)衡。精度、成本、電路板空間和其他因素也需要考慮。

表2. 電流檢測選項總結(jié)

最常見的檢測方法是使用分流電阻，有時也稱為檢流電阻。無論DC-DC轉(zhuǎn)換器是開關(guān)穩(wěn)壓器還是線性穩(wěn)壓器，分流電阻都與輸出串聯(lián)。反饋電阻分壓器連接到輸出節(jié)點，使得分流器位于反饋環(huán)路內(nèi)，這樣當施加負載電流時，穩(wěn)壓器就能補償分流電阻的IR壓降，從而顯著提高負載調(diào)整率。

圖 4. 反饋回路內(nèi)的檢測電阻

用于將電壓轉(zhuǎn)換為電流的PMBus命令稱為IOUT_CAL_GAIN。這是分流電阻的標稱電阻。芯片通過I_SENSE引腳測量分流電阻上的小電壓降，在內(nèi)部執(zhí)行轉(zhuǎn)換，并使用READ_IOUT命令返回輸出電流。芯片檢測到的實際電壓可通過MFR_IOUT_SENSE_VOLTAGE命令獲得。芯片使用以下公式計算輸出電流：

使用阻性分流器時，將MFR_IOUT_CAL_GAIN_TC值設(shè)置為制造商的規(guī)格以補償溫度變化。通常，大于10 mΩ的分流器具有較低的溫度系數(shù)：<100 ppm?°C。

數(shù)據(jù)手冊規(guī)格中列出了I_SENSE引腳上產(chǎn)生的最大差分檢測電壓。大多數(shù)LTC297x器件的差分電壓以±170 mV為限，這為大多數(shù)應(yīng)用提供了足夠的范圍。最大檢測電壓計算如下：V_SENSE?= R_SNS?× I_OUT(MAX)?。通常，首先確定最大檢測電壓，R_SNS電流檢測電阻計算如下：R_SNS?= V_SENSE?? I_OUT(MAX)。選擇的最大檢測電壓應(yīng)是一個足夠大的信號，但又不會在輸出路徑中造成功耗問題或IR壓降。50 mV至80 mV是一個很好的最大檢測電壓。選擇電流檢測電阻的物理尺寸，其功耗額定值應(yīng)大于檢測電阻的計算功耗：P_D?= R_SNS?× (I_OUT(MAX))²。

一種相關(guān)方法是增加一個以地為基準的電流檢測放大器(CSA)，其提供單端輸出，該輸出被饋送到管理器的電流檢測引腳。這種方法通常用于對高于大多數(shù)LTC297x管理器的6 V限值的電壓軌進行電平轉(zhuǎn)換。CSA應(yīng)具有良好的高端共模性能。通常從被檢測的電壓軌和GND為此類器件供電。

圖 5. 用于更高電壓軌的電流檢測放大器

ADI公司提供了許多易于使用且小尺寸的非PSM μModule^?器件。PSM管理器是很好的配套器件，可控制上電時序并實施監(jiān)控。大多數(shù)μModule器件都有內(nèi)置電感，但有些還集成了上方反饋電阻，因此無法在反饋環(huán)路內(nèi)添加外部分流電阻。應(yīng)當選擇允許使用外部上方反饋電阻以獲得最高電壓精度的μModule器件。

要在電感上進行檢測，必須能夠接觸到電感的兩端，并且必須在檢測點和LTC297x檢測引腳之間插入一個濾波器網(wǎng)絡(luò)。濾波器網(wǎng)絡(luò)是一個兩級差分RC低通濾波器。為了方便和減小尺寸，可以使用4元件電阻陣列。電阻值的選擇應(yīng)使IR壓降足夠小，以防止LTC297x輸入電流造成誤差，同時又足夠大，以使電容值小于1 μF。

LTC2971/LTC2972/LTC2974/LTC2975數(shù)據(jù)手冊提供了關(guān)于選擇RC值的指南。

示例：

假設(shè)L = 2.2 μH，DCR = 10 mΩ， f_SW?= 500 kHz

令Rcm1 = Rcm2 = 1 kΩ

圖 6. 使用 2 極點低通濾波器的 DCR 電感檢測

圖 7. 使用簡化低通濾波器的 DCR 電感檢測

單端電壓可以是比電流分流器或電感DCR兩端產(chǎn)生的電壓大得多的信號。LTC2972和LTC2971器件甚至有一個配置位來支持更大的信號電平，它被稱為imon_sense位。該位位于MFR_CONFIG命令中，是一個分頁命令。

圖 8. MFR_CONFIG 寄存器中的 IMON 位

選擇的IMON電阻值應(yīng)使得在所有負載條件下都能提供寬動態(tài)范圍。一般情況下，IMON精度在中負載和重負載電流條件下較好，但在輕負載下會下降。有關(guān)更多詳細信息，請查閱穩(wěn)壓器的數(shù)據(jù)手冊規(guī)格。

圖 9. PSM 利用 IMON 測量電流

一些穩(wěn)壓器將限流功能與IMON引腳結(jié)合在一起，該引腳可稱為IMON/ILIM。請注意，所選的IMON電阻值不應(yīng)使得IMON電壓在滿載時會激活限流電路。示例包括線性穩(wěn)壓器，例如 LT3072 和 LT3086。其他例子有 LT3094 和 LT3045等，一個ILIM引腳起到限流作用，可用作輸出電流監(jiān)視器。對于某些開關(guān)穩(wěn)壓器，該引腳可稱為IMON，內(nèi)置的限流功能可能并不明顯。示例包括 LT8652S 和 LT8708。限流電路具有折返功能，不會關(guān)閉輸出。若要關(guān)閉輸出， LTC298x 會檢測過流狀況并將VOUT_EN拉低，從而禁用穩(wěn)壓器輸出。

一個電源系統(tǒng)可能有一個輸入電源，其為多個下游穩(wěn)壓器供電。輸入電源電流可由LTC2971、LTC2972或LTC2975進行測量。使用LTC2971/LTC2972/LTC2975測量IIN非常簡單，因為這些器件原本就有將引腳連接到VIN電流路徑中的檢測電阻RSNS的能力。IIN_SNS引腳的直接接線以VIN電源為限，對于LTC2972/LTC2975而言，該值<15V；對于LTC2971而言，該值<60V。

圖 10. VIN?電流和電壓檢測

無論是測量輸出電流還是輸入電源電流，都有一個用戶可編程PMBus寄存器可將檢測電壓轉(zhuǎn)換為電流。測量輸入電源電流時，使用PMBus寄存器MFR_IIN_CAL_GAIN，然后便可從READ_IIN寄存器讀取輸入電源電流。

圖 11. 用于 VIN?電流測量的 PMBus 寄存器

LTC2971能夠檢測60V電源軌上的輸入電源電流。IIN_SNS引腳可以直接連到電源輸入上的檢測電阻。對于24V以上的電源電壓，建議使用降壓穩(wěn)壓器通過V_PWR引腳為LTC2971供電，這樣可節(jié)省功率并避免LTC2971自發(fā)熱。由于V_PWR?× I_PWR會產(chǎn)生功耗，可能導(dǎo)致芯片溫度升高到預(yù)期以上。ADP2360?具有一個固定5 V選項，可為降壓穩(wěn)壓器提供低成本、小尺寸的解決方案。

圖 12. 使用 LTC2971 檢測高壓 VIN?電流和電壓

監(jiān)視電能使用可能很重要。無論輸入電源是開關(guān)穩(wěn)壓器、太陽能電池板輸出還是電池電源，了解系統(tǒng)消耗的總電能可能很有用。LTC2971/LTC2972/LTC2975能夠檢測輸入電源的高端電流。此特性允許管理器測量輸入電源電流。LTpowerPlay對于探索與輸入電源電流和電能讀數(shù)相關(guān)的特性非常有用。選擇READ_EIN命令后，遙測窗口就會顯示電能累計結(jié)果的實時曲線。

圖 13. LTpowerPlay 繪制的實時電能圖

電表還會測量輸入電源電壓，因此也能夠報告輸入功率。由于電能是功率和時間的乘積，因此累計電能是根據(jù)管理器的內(nèi)部時基提供的。GUI右上角顯示的儀表提供了更多信息。指針是輸入功率（以瓦特為單位）的實時指示器，較小的五個刻度盤顯示總累計電能，類似于家用電表。為方便起見，還提供了數(shù)字讀數(shù)。

圖 14. LTpowerPlay 中的電表

LTpowerPlay提供一個簡單易懂的界面，其中匯集了輸入和輸出電流、電壓、功率、電能讀數(shù)。

輸入電流、輸入電壓、輸入功率和輸入電能可以表格形式查看，這些值顯示在GUI的遙測部分。MFR_EIN寄存器保存累計電能值（以毫焦耳為單位）。還有一個電能累計器處于活動狀態(tài)的總時間，顯示為MFR_EIN_TIME寄存器。當單位從mJ變?yōu)镴再到kJ時，GUI會自動更新所顯示的SI前綴。

圖 15. 與輸入電源電壓、電流、功率和電能相關(guān)的遙測視圖

表3總結(jié)了可以從LTC297x回讀的所有遙測數(shù)據(jù)。寄存器是I²C/PMBus字讀取，但MFR_EIN寄存器除外，它是塊讀取。

表3. 遙測總結(jié)

1. 如果設(shè)置了adc_hires位，則READ_VOUT值以mV為單位返回。

2. 塊讀取，包括以mJ為單位的電能值和以ms為單位的經(jīng)過時間。