用高壓Ｉ^２Ｃ電流和電壓監視器進行測量

Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ　Ｇｏｂｏｋ

摘要：采用分立元器件和其他電源監視器的傳統實施方法在復雜性、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如何應對多種電源監視應用的功能需求。

關鍵詞：電源監視；高端檢測；低端檢測；LTC4151

引言

電子產品設計的復雜性不斷提高，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元器件。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測量電壓，而且如果有多于1個電壓要監視，那么還必須給這個元器件表增加一個多路復用器。接著是具有精確基準和一些與微處理器連接的模數轉換器(ADC)，同時也許還有與相鄰IC共享I／O線。由于找到合適元器件的總體復雜性和困難，電源監視最好的方法就是集成解決方案。

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的范圍內工作，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準確地監視從mA到A或更大范圍的電流。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FC進行，有9個器件地址選擇。

由于寬工作范圍，LTC4151在從電信到汽車的系統中很有用。通過在一個單芯片解決方案中集成所有必需的功能構件，原先在分立解決方案中由于空間或成本而不可能實現的應用，現在變得切實可行了。

簡單與復雜

LTC4151應用于很多復雜、空間受限和低壓的應用，包括RAID系統、電信和工業計算機／控制系統。幸運的是，這個器件僅需要少數簡單連接，并采用了小型MS10或纖巧3mm×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顯示LTC4151監視至12VDC／DC轉換器的輸入電流和電壓。這里，低壓輸入ADIN用來測量該轉換器的5V輸出，而I²C直接連接到微控制器。所需要的外部元器件僅為一個檢測電阻和兩個總線上拉電阻。

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。由于固有的簡單性，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。遺憾的是，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。

由于這些原因，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12位轉換器而言太小，因為動態范圍的大部分都浪費了。此時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不僅解決了高壓軌測量的問題，而且由于檢測放大器的25倍增益，該12位轉換器還完成了161/2位轉換器的工作。

“正壓”非常出色

高端電流監視的問題由于電源電壓提高而加重。LTC4151以高達+80V工作!

就7～80V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，包括服務器、海量存儲設備和很多其他系統。圖3顯示了在一個48V應用中的LTC4151，ADIN通過測量一個二極管的壓降監視溫度。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。這種寬輸入電壓范圍允許LTC4151直接連接到高壓電源，而無需第二個電源。

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20μV／LSB的分辨率。這種準確度就大多數應用而言是足夠的，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。通過內部精確衰減器測量V_IN上的電壓時，TUE為±1％，且具有102.4V的滿標度電壓和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，TUE為±0.75％，且具有2.048V的滿標度電壓和25mV／LSB的分辨率。這些準確度數字在一40～85℃的工業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，工作于負電壓并消耗大量電流，在這類應用中，電源監視也許不那么簡單直接。LTC4151能夠很平等地監視正和負電壓。盡管LTC4151具有一個停機引腳以在低功率應用中將靜態電流降至120μA(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于來自電源監視器的不同地電平。

圖4顯示LTC4151-1如何連接到-48VAdvanced TCA(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單獨上拉電源的需求。注意，V_in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。

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。PC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、V_IN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使LTC4151非常適合于數字電源監視。

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。采用分立和其他電源監視器的傳統實施方案在復雜性、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。它包括內部檢測放大器、增量累加ADC和12C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的全部靈活性適用于用戶監視負電壓，包括一個方便隔離的選項。總之，LTC4151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。