利用PMBus数位电源系统管理器进行电流感测

电路板级设计人员的任务是赋予电路板以生命，监视其健康状况，调整设定，运行诊断，离缐进行检查，在出现问题时排除故障，以及在无事故的情况下有序地关断复杂的电路板。在电源设计和开发的世界里，电源管理可能不仅仅是一种需要，更是一项硬性要求。电源系统管理器聚合了多种功能，例如上电时序管理、故障检测、馀裕测试、协调关断、量测电压、量测电流以及收集资料进行分析。使用 LTC297x 元件量测电源电流是本文的重点[1]。

对于为FPGA、CPU、光收发器等高价值元件供电的电源，量测其从电源轨撷取的电流可能很重要。对于这些关键电源轨，电路板设计人员可以透过此资料深入瞭解其性能。当电流资讯被量测到，且电流值为数位格式，那么元件就可以计算功率和电能，系统主机也可以执行独特的计算、从资料中分析趋势、安排任务等。

目前已有许多围绕电流感测主题的技术文章和应用笔记问世，但未见到专门针对DPSM的。本文涵盖了类比和数位方面，并描述用于量测低压、高压和负电源轨的各种支援电路。

LTC297x DPSM系列

本文的重点是内建电流量测功能的电源系统管理器。表1说明了这些元件之间的差异。

LTC2977/LTC2979/LTC2980/LTM2987 可配置用来监视电流，但存在一些限制。只有奇数通道支援电流量测，并且量测值以未缩放的单位（V）返回。本文重点介绍 LTC2971/LTC2972/LTC2974/LTC2975 元件，它们能够量测输出电流，并允许系统?软体利用READ_IOUT命令回读以安培（A）为单位的值。

註：本表格中的 LTC297x 指 LTC2971、LTC2972、LTC2974、LTC2975、LTC2977、LTC2979、LTC2980 和 LTM2987，未包括 LTC2970。

PSM基础

电源系统管理器提供关于电源的关键电压和电流读数的数位视图。这是该产品系列的特色：系统主机或LTpowerPlay可以支援电路板初始启动、侦错、验证或收集基缐资料，或者寻找趋势。虽然一些电源通道不需要精准的电流读数，但许多关键的输出通道需要高度精准的电流量测。

本文介绍各种电流感测选项，包括成本、复杂性和精度之间的权衡。

图1 : LTpowerPlay 中的 READ_IOUT 遥测曲缐

电流感测选项

LTC2971?LTC2972?LTC2974?LTC2975管理器能够精准量测输出电流。应盡可能使用这些元件，因为它们具有专用的电流感测接脚和PMBus命令，可提供以安培为单位的遥测值。

图2 : 使用串联分流器进行电流感测

例如，将I_SENSE缐连接到分流器，配置几个暂存器，剩下的工作由晶片完成。晶片会将测得的电压转换为电流值。LTpowerPlay将电流即时显示为数值和遥测曲缐。

图3 : 用于输出电流量测的 PMBus 暂存器设定

也可以使用LTC2977?LTC2979?LTC2980?LTM2987来量测输出电流，但是，READ_IOUT命令返回的是电压，必须由系统主机或LTpowerPlay将其转换为安培。执行中，这表示韧体（而不是晶片）必须储存串联分流器的值。

串联分流电阻并非感测电流的唯一方法。表2总结了DPSM系列可用的电流感测选项及其权衡。精度、成本、电路板空间和其他因素也需要考虑。

分流电阻感测

最常见的感测方法是使用分流电阻，有时也称为感流电阻。无论DC-DC转换器是开关稳压器还是缐性稳压器，分流电阻都与输出串联。回馈电阻分压器连接到输出节点，使得分流器位于回馈迴路内，这样当施加负载电流时，稳压器就能补偿分流电阻的IR压降，从而明显提高负载调整率。

图4 : 反馈迴路内的感测电阻

用于将电压转换为电流的PMBus命令称为IOUT_CAL_GAIN。这是分流电阻的标称电阻。晶片透过I_SENSE接脚量测分流电阻上的小电压降，在内部执行转换，并使用READ_IOUT命令返回输出电流。晶片感测到的实际电压可透过MFR_IOUT_SENSE_VOLTAGE命令获得。

使用阻性分流器时，将MFR_IOUT_CAL_GAIN_TC值设定为制造商的规格以补偿温度变化。通常，大于10 mΩ的分流器具有较低的温度系数：<100 ppm?°C。

规格中列出了I_SENSE接脚上产生的最大差分感测电压。大多数LTC297x元件的差分电压以+/-170 mV为限，这为大多数应用提供了足够的范围。最大成测电压计算如下：V_SENSE= R_SNS × I_{OUT（MAX）SENSE} 。通常，首先确定最大感测电压，R_SNS电流感测电阻计算如下：R_SNS = V_SENSE ? I_OUT（MAX）。选择的最大感测电压应是一个足够大的讯号，但又不会在输出路径中造成功耗问题或IR压降。50 mV至80 mV是一个很好的最大感测电压。选择电流感测电阻的物理尺寸，其功耗额定值应大于感测电阻的计算功耗 [2]。

一种相关方法是增加一个以地为基准的电流感测放大器（CSA），其提供单端输出，该输出被馈送到管理器的电流感测接脚。这种方法通常用于对高于大多数LTC297x管理器的6 V限值的电压轨进行位准转换。CSA应具有良好的高端共模性能。通常从被感测的电压轨和GND为此类元件供电。后续文章将会详细介绍这种方法。

图5 : 用于更高电压轨的电流感测放大器

ADI提供了许多易于使用且小尺寸的非PSM μModule元件。PSM管理器是很好的配套元件，可控制上电时序并进行监控。大多数μModule元件都有内建电感，但有些还整合了上方回馈电阻，因此无法在回馈迴路内增加外部分流电阻。应当选择允许使用外部上方回馈电阻以获得最高电压精度的μModule元件。

电感DCR感测

DCR感测是一种透过降压稳压器的输出电感感测电流的方法。电感可以运用理想电感和一个称为DCR的串联电阻来建模（图6）。这通常是高电流（>20 A）电源轨的首选方法。增加的阻性分流器是一个额外的元件，会消耗功率并产生热量。

要在电感上进行感测，必须能够接触到电感的两端，并且必须在感测点和LTC297x感测接脚之间插入一个滤波器网路。滤波器网路是一个两级差分RC低通滤波器。为了方便和减小尺寸，可以使用4元件电阻阵列。电阻值的选择应使IR压降足够小，以防止LTC297x输入电流造成误差，同时又足够大，以使电容值小于1 μF。

LTC2971?LTC2972?LTC2974?LTC2975资料手册提供了关于选择RC值的指南。

图6 : 使用 2 极点低通滤波器的 DCR 电感感测

DCR感测可实现电流的无损量测，但由于电感绕组电阻或DCR的差异，精度会受到影响。电感DCR规格高达+/-10%或只有一个最大值的情况并不少见。实际的DCR值会因电感和批次而异。

另一种滤波方案仅使用两个电阻和两个电容，因而元件数量从八个减少到四个，但滤波器的性能高度不如图7所示。

图7 : 使用简化低通滤波器的 DCR电感感测

PMBus配置

要利用PMBus命令配置LTC297x，可使用IOUT_CAL_GAIN命令设定分流电阻或电感DCR的标称值。对于铜缐缠绕的电感，DCR会随着电感温度升高而增加，这会在READ_IOUT读数中引入误差。使用MFR_IOUT_CAL_GAIN_TC命令设定铜的温度系数可补偿此误差。在产品数据手册中，该值的预设值为3900 ppm?°C。使用者可能需要调整该值以匹配电感，因为当导缐是合金而非纯铜时，此参数可能会大幅改变。MFR_IOUT_CAL_GAIN_THETA表示热时间常数，可对其进行设定。

必须将温度感测器（二极体连接的双极性电晶体）靠近电感放置，以实现更准确的电流温度补偿。LTC2971?LTC2972?LTC2974?LTC2975元件具有连接到感测器的TSENSE接脚。

IMON

IMON接脚在许多稳压器（包括开关和缐性）中越来越受欢迎。这些稳压器有一个电流感测输出接脚，藉此可监视稳压器的负载电流。IMON方法的优点在于它是无损的，并且无需担心共模电压，因为LTC297x ISENSE接脚不连接到VOUT。IMON接脚是单端输出讯号，代表输出电流的一小部分，它可以是电压输出或电流输出，需要一个电阻连接到GND。电流输出IMON接脚允许用户选择电阻值，从而设定最大满载电压。

单端电压可以是比电流分流器或电感DCR两端产生的电压大很多的讯号。LTC2972和LTC2971元件甚至有一个配置位元来支援更大的讯号位准，其被称为imon_sense位元。该位元位于MFR_CONFIG命令中，是一个分页命令。

图8 : MFR_CONFIG 暂存器中的 IMON 位元

选择的IMON电阻值应使得在所有负载条件下都能提供宽动态范围。一般情况下，IMON精度在中负载和重负载电流条件下较好，但在轻负载下会下降。

图9 : PSM利用 IMON量测电流

一些稳压器将限流功能与IMON接脚结合，该接脚可称为IMON ? ILIM。请注意，所选的IMON电阻值不应使得IMON电压在满载时会启动限流电路。示例包括缐性稳压器，例如 LT3072 和 LT3086。其他例子有 LT3094 和 LT3045等，一个ILIM接脚产生限流作用，可用于输出电流监视器。对于某些开关稳压器，该接脚可称为IMON，内建的限流功能可能并不明显。示例包括 LT8652S 和 LT8708。限流电路具有折返功能，不会关闭输出。若要关闭输出， LTC298x 会检测过流状况并将VOUT_EN拉低，从而禁用稳压器输出。

输入电流感测

一个电源系统可能有一个输入电源，其为多个下游稳压器供电。输入电源电流可由LTC2971、LTC2972或LTC2975进行量测。使用LTC2971 ? LTC2972 ? LTC2975量测IIN非常简单，因为这些元件原本就有将接脚连接到V_IN电流路径中的感测电阻R_SNS的能力。IIN_SNS接脚的直接接缐以V_IN电源为限，对于LTC2972?LTC2975而言，该值<15V；对于LTC2971而言，该值<60V。

图10 : VIN 电流和电压感测

无论是量测输出电流还是输入电源电流，都有一个用户可编程PMBus暂存器可将感测电压转换为电流。量测输入电源电流时，使用PMBus暂存器MFR_IIN_CAL_GAIN，然后便可从READ_IIN暂存器读取输入电源电流。

图11 : 用于 VIN 电流量测的 PMBus 暂存器

我们不仅可以量测电流，还可以量测电压。PMBus命令分別为READ_IIN和READ_VIN。利用电流、电压和时基，LTC2971 ? LTC2972 ? LTC2975还能计算输送给系统的功率和电能。

LTC2971能够感测60V电源轨上的输入电源电流。IIN_SNS接脚可以直接连到电源输入上的感测电阻。对于24V以上的电源电压，建议使用降压稳压器通过V_PWR接脚为LTC2971供电，如此可节省功率并避免LTC2971自发热。由于VPWR × I_PWR会产生功耗，可能导致晶片温度升高到预期以上。 ADP2360 具有一个固定5 V选项，可为降压稳压器提供低成本、小尺寸的解决方案。

图12 : 使用LTC2971感测高压VIN电流和电压

电能计量

监视电能使用可能很重要。无论输入电源是开关稳压器、太阳能电池板输出还是电池电源，瞭解系统消耗的总电能可能很有用。LTC2971 ? LTC2972 ? LTC2975能够感测输入电源的高端电流。

此特性允许管理器量测输入电源电流。LTpowerPlay对于探索与输入电源电流和电能读数相关的特性非常有用。选择READ_EIN命令后，遥测视窗就会显示电能累计结果的即时曲缐。

图13 : LTpowerPlay 绘制的即时电能图

电錶还会量测输入电源电压，因此也能够报告输入功率。由于电能是功率和时间的乘积，因此累计电能是根据管理器的内部时基提供的。GUI右上角显示的仪錶提供了更多资讯。指标是输入功率（以瓦特为单位）的即时指示器，较小的五个刻度盘显示总累计电能，类似于家用电錶。为方便起见，还提供了数位读数。

图14 : LTpowerPlay 中的电錶

LTpowerPlay提供一个简单易懂的介面，其中汇集了输入和输出电流、电压、功率、电能读数。

输入电流、输入电压、输入功率和输入电能可以表格形式查看，这些值显示在GUI的遥测部分。MFR_EIN暂存器保存累计电能值（以毫焦耳为单位）。还有一个电能累计器处于活动状态的总时间，显示为MFR_EIN_TIME暂存器。当单位从mJ变为J再到kJ时，GUI会自动更新所显示的SI首码。

图15 : 与输入电源电压、电流、功率和电能相关的遥测视图

表3总结了可以从LTC297x回读的所有遥测资料。暂存器是I2C ? PMBus字读取，但MFR_EIN暂存器除外，它是区块读取。

1. 如果设定adc_hires位元，则READ_VOUT值以mV为单位返回。L11格式。

2. 区块读取，包括以mJ为单位的电能值和以ms为单位的经过时间。

（本文作者Michael Peters为ADI 资深应用工程师）