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軌對軌電源可監視高達 80V以上的電壓

時間:2014-04-18 09:38來源:凌力爾特 作者:產品行銷工程師 點擊:
引言 隨著目前電子產品設計的複雜化,管理功耗及最佳化整體效率已日趨重要。從工業和電訊應用以至於汽車和醫療設備領域中,精準的電源電壓和電流監視對於節能和可靠性都扮演著十分關
 
引言
 
隨著目前電子產品設計的複雜化,管理功耗及最佳化整體效率已日趨重要。從工業和電訊應用以至於汽車和醫療設備領域中,精準的電源電壓和電流監視對於節能和可靠性都扮演著十分關鍵的角色。電路板級電源監視不再局限於機架和伺服器,許多非傳統的應用也迅速成為電源監視的目標領域,太陽能充電器、軍事武器及先進的汽車電子產品等,都僅只是其中的幾項應用而已。更智慧型的高效系統以及一個關聯性更高的全球環境,持續激發著使用者對於控制和掌握電氣參數的需求,而最終目的,是要達到綠色環保並節省寶貴的資源。
 
雖然分離式電源監視解決方案可使用一個微處理器和少數的其他元件來設計,但是系統成本往往包括資料輪詢、參數乘法或資料分析,最佳的電源監視 IC可提供一種能解決諸多繁重任務的簡單解決方案。如果了解電壓、電流或功率級別,就能即時瞭解系統的狀況,其可能只需要某種參數警報就能提供故障的早期檢測,而能在災難性事件發生之前採取預防性措施。或者也可透過掌握使用模式 (例如:吸收電流隨時間的變化情況) 來最佳化系統。利用此類資訊便可相對地進行資源的運用,亦即將過度使用的元件之工作任務卸載至未充分使用的元件上。
 
電源監視器角色
 
電源監視器有許多不同的設計方法,由於監視系統電源輸入需要多種元件,因此這一點並不令人驚訝。採用感測電阻和放大器可達到測量電流的目的,同時,如果放大器共模範圍擴展至正電源軌並將其輸出轉移對地,則將會是最便利的。測量電壓需要高精度的阻性分壓器,且倘若需要監視的電壓不止一個,那麼還必須在物料清單中添加一個多工器。接下來,是一個多通道類比數位轉換器 (ADC),以及一個高精度參考和某種與微處理器實現介面的工具,同時還可能與相鄰的 IC共用 I/O 線。假如需要檢測最小值和最大值或警報,則必需編寫並持續不斷地執行代碼。由於其整體複雜性很高,且不容易找到合適的元件,因此不難看出為何電源監視適合採用整合式解決方案。
 
凌力爾特的 LTC2945是將所有必要的功能元件整合在一個小型的 3mm x 3mm QFN 或 MS12 封裝中,因此非常適用於眾多因空間、複雜性或成本因素而無法採用分離式解決方案的應用。LTC2945 的工作電壓雖低至 2.7V,但能監視任何 0V 至 80V 電源軌的電壓和電流,以及其自身特有的電源電壓和附加的電壓輸入。一個內建的並聯穩壓器可為高於 80V 的電源提供支援。為達到更高的彈性,可將感測電阻外置,以使 LTC2945能準確地監視從 mA 級至 A 級、甚至更大的電流。該 ADC 具有 12 位元解析度、一個對於電壓為0.75%以及對於電流為0.75%的最大總未調整誤差 (TUE)。另附加 ADC 輸入 (ADIN 引腳) TUE 也僅為 0.75%。此外,LTC2945 還整合了一個數位乘法器,該乘法器可計算一個 24 位元功率結果,並把該數值與測量、狀態和使用者配置一起儲存在可透過 I2C 存取的暫存器中。


圖 1:LTC2945 的簡化方塊圖
 
LTC2945 正積極進入許多複雜和空間受限的應用,包括 RAID 系統、電信、交通運輸、太陽能監視系統和工業電腦 / 控制系統。幸運的是:該元件只需要進行幾個簡單的連接。圖 2 所示為 LTC2945 監視一個 3.3V 微處理器的輸入電壓和電流,以及由 12V 電源供電的情況。僅需的外部元件為1個感測電阻和 3 個上拉電阻。


圖 2:採用 12V VDD輸入的 LTC2945 輸入電源監視器

由於具有寬廣的軌對軌工作範圍,因此 LTC2945 適用於許多不同的低電壓和高電壓系統。其絕對最大額定值為 100V 的電源和感測引腳提供了很大的餘裕 (例如:在 48V 或 -48V 應用中),同時零電壓檢測監視能力對於監視短路或斷電情況下的電流水準上也同樣適用。零電壓時的故障電流水準能立即顯示電源或負載是否出現故障,而不需借助額外的電路。內部 12 位元 ΔΣADC 本質上在測量視窗內對輸入雜訊求平均,因此在雜訊環境中工作並不是問題。在掃描模式中,該 ADC 分別以 25μV、25mV 和 0.5mV 的解析度按順序連續監視差動感測電壓、電源或正感測電壓、以及備用 ADC 輸入電壓。在連續掃描模式中,轉換操作具有一個 7.5Hz 的有效刷新率,不過使用者也可進入一種瞬像模式以進行單一可選輸入的測量。在以節能為目標的應用中,通常高電壓監視 IC 會預期有高靜態電流,但在此類應用中並不適用;LTC2945 在監視 48V 電源軌時僅消耗 0.8mA 電流,並可關機以將功耗減低至僅 20μA。

為電源監視器供電
 
LTC2945 能從寬廣電源範圍獲取其電源,而大幅簡化任何應用的設計過程。圖 3a所示為 LTC2945 用於監視一個 4V 至 80V 電源的情形。由於 VDD電源接腳可直接連接至受監視的電源,因此無需輔助偏置電源。假使 LTC2945 被用來監視低至 0V 的電源,則其可從一個連接至 VDD 的寬廣範圍輔助電源獲得電源,如圖 3b 所示。同樣的,如果接入了一個低至 2.7V 的低電壓電源,則可按圖 3c 所示來配置 LTC2945,以將功耗降至最低。


圖 3a:LTC2945 從被監視的電源獲得電源
 

圖 3b:LTC2945 從寬廣範圍輔助電源獲得電源


圖 3c:LTC2945 從低電壓輔助電源獲得電源

對於超過 ±80V 的電源,在高端和低端配置中,皆可採用位於 INTVCC接腳上的內建線性穩壓器透過外部分流電阻向 LTC2945 供電。圖 4a 所示為一具高於 80V 輸入監視範圍的高端電源監視器,其採用一種高端並聯穩壓器配置。LTC2945 的接地端透過 RSHUNT與電路的接地端相隔離,並被箝位在低於輸入電源的 6.3V。由於具有不同的接地位準,因此 LTC2945 的 I2C 訊號將需要進行位移,以與參考於其他接地端的元件通訊;另外,還需要一個電流鏡來測量備用 ADC 輸入端上的外部電壓。圖 4b 所示為 LTC2945 從一個高於 -80V 的電源獲得電源的情形。在此處,低端並聯穩壓器配置透過將 INTVCC接腳電壓箝位於比輸入電源高 6.3V 來運作,此時是一個負電源軌。如圖 4c 所示,如果輸入電源低於 -80V 且暫態電壓被限制在 -100V 以下,那麼就不需要使用一個並聯電阻,在此,VDD會測量電路接地端上的電源電壓 (相對於 LTC2945 的接地端)。


圖 4a:LTC2945 透過高端並聯穩壓器獲得電源


 

圖 4b:在低端電流感測架構中,LTC2945 透過低端並聯穩壓器獲得電源


圖 4c:在低端電流感測架構中,LTC2945 從受監視的電源獲得電源
 
數位便利性 (Digital Convenience)
 
LTC2945 包括許多用於簡化設計的便利數位特性,可與彈性的供電選項協調一致。最明顯的數位特性是整合了一個數位乘法器,該乘法器可為用戶提供一個 24 位元功率值,從而減輕負責執行電壓和電流資料輪詢,及對額外計算之主機的工作負荷。LTC2945 透過將 12 位元測量電流與 12 位元測量電壓相乘來計算功率。在連續模式中,透過測量差動感測電壓以獲得負載電流資料。然而,電壓資料可在電源電壓、正感測電壓或備用 ADC 輸入電壓之間選擇。接著,在連續模式中以 7.5Hz 的速率計算該 24 位元功率值,而在瞬像模式中則不對其進行刷新。
 
LTC2945 具有用於電流和電壓以及功率的最小值和最大值暫存器,因此不需連續軟體輪詢,同時將 I2C 匯流排和主機釋放出來以執行其他的任務。除了檢測和儲存最小值 / 最大值之外,LTC2945 還具有最小 / 最大限值暫存器,可用於在任何限值被超過的情況下發出警報訊號,如此可再次免除增設微處理器 (以持續輪詢 LTC2945 和分析資料) 的需求。對於電源監視器而言,警報回應與最小值和最大值暫存器同等重要。圖 5 所示為 LTC2945 如何利用軟體和硬體來產生警報訊號,測得的資料與使用者定義的門檻進行比較;過壓、欠壓、過流、欠流、過功率和欠功率門檻均可定義並同時監視。接著,一個狀態暫存器會負責通知使用者哪個參數門檻已被超過,而實際的故障值則被記錄於另一個暫存器中,並可在以後進行查詢。一個單獨的警報暫存器允許使用者根據SMBus警報回應協定來選擇將由哪個參數做出回應,此時將播送警報回應位址並拉低 /ALERT 引腳位準,以將警報事件通知主機。


圖 5:LTC2945 故障警報訊號的發生
 
LTC2945 採用了一個標準的 I2C 介面,該介面與外界的通訊能力具有非常獨特的提升。可提供 9 個 I2C 元件位址,因此可輕易地將多個 LTC2945 設計在同一個系統設計中。所有的 LTC2945 元件都響應一個公共位址,這使得匯流排主控器能夠同時對多個 LTC2945 進行寫入操作,這與其各自的位址無關。另外,阻塞匯流排重定計時器則負責內部 I2C 狀態機的重定,以使正常的通訊能在 I2C 訊號保持超過 33ms 時 (阻塞匯流排情況) 得以恢復。而分路 I2C 資料線可輕易地免除使用 I2C 分路器或組合器 (以達到橫跨隔離邊界的雙向資料收發) 的需求。此外,LTC2945-1 還具有一個反相資料輸出,以與負輸出光隔離器配置搭配使用。

結論
 
LTC2945 是一款可適應眾多應用的通用型電路板級電源監視器,其為使用者提供了一種簡單但非常有效的電壓、電流和功率監視方法。高性能單元式元件使 LTC2945 能輕而易舉地監視 0V 至 80V 的正和負電源軌,並擁有同級最高的準確度。由於提供了獨立的高電壓監視和電源引腳、以及一個用於支援超過 80V 電源的內建穩壓器,因此提供使用者多種供電選項。與 LTC2945 的卓越類比性能相匹配的,是其可減少主機資源佔用的數位特性,包括一個乘法器、最小值 / 最大值暫存器、可配置警報和一個有用的 I2C 介面。

 

 

(責任編輯:jane)
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