用高压I2C电流和电压监视器进行测量

引言

　　由于今天电子产品设计的复杂性不断提高，所以管理功耗和优化总体效率变得更加重要。从工业和电信应用到汽车和消费电子产品的所有产品中，准确的电源电压和电流监视对节省功率和保证可靠性都是至关重要的。

　　监视至一个系统的电源输入需要多种组件。为了测量电流，需要一个检测电阻和放大器，而且如果放大器共模范围扩展到正的电源轨并将其输出转换到地是最方便的。需要精确电阻分压器来测量电压，而且如果有多于 1 个电压要监视，那么还必须给这个组件表增加一个多路复用器。下一个是具有精确基准和一些与微处理器连接途径的模数转换器 (ADC)，同时也许与相邻 IC 共享 I/O 线。由于找到合适组件的总体复杂性和困难，电源监视最好的方法就是集成式解决方案。

　　LTC4151 为发挥这一作用而开发。它含有形成一个完整电源监视系统所需的功能构件 (参见图 1)。它在 7~80V 的范围内工作，同时监视电源轨的电流、它自己的电源电压和一个附加的电压输入。为实现灵活性，检测电阻是外部的，从而允许 LTC4151 准确地监视范围从 mA 到 A 或更大的电流。该 ADC 具有 12 位分辨率和 1% 的总未调整电压误差以及 1.25% 总未调整电流误差。外部 ADIN 输入的总未调整误差 (TUE) 仅为 0.75%。数字通信通过 I2C 进行，有 9 个设备地址选择。

              
                            图1  简化的 LTC4151 方框图

　　由于宽工作范围，LTC4151 在从电信到汽车的系统中很有用。通过在一个单芯片解决方案中集成所有必需的功能构件，电源监视在分立解决方案由于空间或成本而不可能的应用中变得切实可行了。

简单与复杂

　　LTC4151 应用于很多复杂、空间受限和低压的应用，包括 RAID 系统、电信和工业计算机/控制系统。幸运的是，这个器件仅需要少数简单连接，并采用了小型 MS10 或纤巧 3mm x 3mm DFN 封装。视系统而定，该监视 IC 可位于背板或可插拔板卡上；图 2 是后者的一个例子，显示 LTC4151 监视至 12V DC/DC 转换器的输入电流和电压。这里，低压输入 ADIN 用来测量该转换器的 5V 输出，而 I2C 直接连接到微处理器。所需要的外部组件仅为一个检测电阻和两个总线上拉电阻。

          
               图 2  LTC4151 在 12V 应用中使高端检测变得简单

　　LTC4151 提供相对简单直接的连接，同时远离与低端检测有关的风险。由于固有的简单性，低端检测 (检测电阻与负载地串联) 是一个有吸引力的监视电源电流的方法。通过允许 ADC 直接测量检测电阻的压降，或用一个简单的前置放大器，它去除了对特殊放大器的需求。不幸的是，极少有负载真正以这种方式浮动而允许接地通路开路。这个电路还带来一种潜在安全危害，因为一个出故障或断接的低端检测电阻允许负载地升高至满电源电压。

　　由于这些原因，几乎总是优先选择高端检测，然而高端检测很难实现。这是因为 ADC 必须测量连接到正轨的检测电阻两端的压降，该正轨常常为远超出 ADC 本身范围的电压。此外，小的检测电阻压降 (在这种情况下为 20mV/A) 就一个 12 位转换器而言太小，因为动态范围的大部分都浪费了。需要一个特殊放大器，一个能检测高正电压轨同时给以地为基准的 ADC 提供输出的放大器。LTC4151 不仅解决了在高压轨测量的问题，而且由于检测放大器的 25 倍增益，该 12 位转换器还完成了 16-1/2 位转换器的工作。

“正压”非常出色

　　高端电流监视的问题由于电源电压提高而加重。LTC4151 具有本身值得注意的规格，考虑一下其它监视解决方案是多么棘手和受限，而 LTC4151 以高达 +80V 工作！

　　就 7V 至 80V 的电源而言， LTC4151 保持高精确度，从而涵盖具有 12V、24V 或 48V 电源电压的应用，包括服务器、海量存储设备和很多其它系统。图 3 显示了在一个 48V 应用中的 LTC4151。ADIN 通过测量一个二极管的压降监视温度。电源引脚的绝对最大电压和两个检测输入引脚是 90V，这帮助该 IC 耐受高压瞬态而不被损坏。这种宽输入电压范围允许 LTC4151 直接连接到高压电源，而无需第二个电源。

          
               图 3  LTC4151 在 48V 应用中监视电流、电压和温度

 　高压应用会欢迎 LTC4151 提供的准确度。测量 SENSE 引脚上的电流时，最大总的未调整误差(TUE) 为 ±1.25%。满标度电流检测电压为 81.92mV，且具有 20uV/LSB 的分辨率。这种准确度就大多数应用而言是足够充分的，就算这不是好于分立解决方案的准确度，也是可与其比较的。通过内部精确衰减器测量 VIN 上的电压时，TUE 为 ±1%，且具有 102.4V 的满标度电压和 25mV/LSB 的分辨率，从而在更低和更高的电压上提供足够的分辨能力。最后，在 ADIN 引脚获取电压读数时，TUE 为 ±0.75%，且具有 2.048V 的满标度电压和 25mV/LSB 的分辨率。这些准确度数字在 -40°C 至 85°C 的工业温度范围内都是有效的。

某些“负压”也可接纳

　　有些应用，尤其在电信系统中，于负电压工作并消耗大量电流，在这类应用中，电源监视也许不那么简单直接。LTC4151 能够很平等地监视正和负电压。尽管 LTC4151 具有一个停机引脚以在低功率应用中将静态电流降至 120uA (在 12V)，但是 LTC4151-1 版本用提供简单光隔离的第二个 I2C 数据引脚取代了这个引脚，从而方便了该器件在高负压应用中的使用。光耦合器的使用允许主控制器位于来自电源监视器的不同地电平上。

　　图 4 显示 LTC4151-1 如何连接到一个 -48V AdvancedTCA (ATCA) 应用中的光耦合器。一条分路 I2C 数据线、SDAI (数据输入) 引脚和独特的 SDAO# (负数据输出) 引脚方便地消除了为双向传输和数据接收而使用 I2C 分路器或合并器的需求。由于所有 I2C 信号都被箝位，而且上拉电阻都能够直接连接到 -48V 电源，所以也消除了对一个单独上拉电源的需求。注意，Vin 端的电压在检测电阻的上行侧测量，以实现更高的准确度，而且假定 LTC4151-1 的静态电流在与 DC/DC 转换器的负载相比时可以忽略不计，转换器负载就 ATCA 应用而言通常在安培量级。该图还显示怎样能用 ADIN 引脚来利用一个热敏电阻测量线路板温度。

          
             图 4   LTC4151 与 -48V ATCA 应用中的隔离势垒连接

　　不管一个应用是否需要隔离，LTC4151 都在返回来向轮询主机报告时提供一些便利的功能。I2C 接口具有一个阻塞总线复位定时器，该定时器复位内部 I2C 状态机，以在 I2C 信号保持低电平超过 33ms (阻塞总线状态) 时允许恢复正常通信。除此以外，LTC4151 还可以连续或以单个瞬像模式报告数据。在连续扫描模式，LTC4151 以 7.5Hz 的刷新率顺序测量 SENSE 引脚之间、VIN 和 ADIN 端的电压。在瞬像模式，主控制器指示 LTC4151 在任何信号端执行一次性测量，非常适用于仅需要偶尔测量输入电源的应用。I2C 接口和两种报告模式一起使 LTC4151 非常适合于数字电源监视。

结论

　　LTC4151 是一个通用型电源监视器，具有帮助应对种类繁多应用的功能。采用分立和其它电源监视器的传统实施方案在复杂性、功能性或性能方面往往达不到要求，但是 LTC4151 通过提供一个简单且非常有效的方法以监视电流、电压和温度，从而有能力应对这种情况。包括内部检测放大器、增量累加 ADC 和 I2C 接口在内的高性能基本构件确保数字读数准确和精确。高压应用可以利用 90V 绝对最大额定值，同时该 IC 的全部灵活性适用于用户监视负电压，包括一个方便隔离的选项。确实，LTC4151 的好处难以量度，因为它允许设计师在实现一个可靠的电源监视电路上花更少的时间，因此实现这样的电路不再是一个难以承担的任务了。