引言

隨著當(dāng)今電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)復(fù)雜程度的不斷增加，管理功耗及優(yōu)化整體效率變得愈加重要。從工業(yè)和電信應(yīng)用到汽車和醫(yī)療設(shè)備，準(zhǔn)確的電源電壓和電流監(jiān)視對(duì)于其中的節(jié)能和可靠性保證都是十分關(guān)鍵的。電路板級(jí)的電源監(jiān)視不再僅見于機(jī)架和服務(wù)器，許多非傳統(tǒng)的應(yīng)用也迅速成為了電源監(jiān)視的用武之地，太陽能充電器、軍事武器及先進(jìn)的汽車電子產(chǎn)品等只是其中為數(shù)不多的幾種而已。更為智能的高效系統(tǒng)以及一個(gè)相互關(guān)聯(lián)度更高的世界持續(xù)激起最終用戶對(duì)于控制和掌握電氣參數(shù)的需求，旨在始終堅(jiān)持綠色環(huán)保并節(jié)約寶貴的資源。

雖然分立式電源監(jiān)視解決方案可以使用一個(gè)微處理器和少量的其他組件來設(shè)計(jì)，但是系統(tǒng)開銷包括數(shù)據(jù)輪詢、參數(shù)乘法或數(shù)據(jù)分析，上佳的電源監(jiān)視 IC可提供一種能緩解諸多此類繁重任務(wù)的簡(jiǎn)單解決方案。如果獲知了電壓、電流或功率級(jí)別，就能即時(shí)了解系統(tǒng)的健康狀況?？赡苤恍枘撤N參數(shù)警報(bào)就能提供故障的早期檢測(cè)，從而能夠在災(zāi)難性事件發(fā)生之前采取預(yù)防性措施?；蛘?，也可以通過掌握使用模式 (例如：吸收電流隨時(shí)間的變化情況) 來優(yōu)化系統(tǒng)。利用此類信息便可相應(yīng)地進(jìn)行資源的轉(zhuǎn)用，即把過度使用的部件之工作任務(wù)卸載至那些未充分使用的部件。

電源監(jiān)視器角色模型

電源監(jiān)視器有許多不同的設(shè)計(jì)方法，考慮到監(jiān)視系統(tǒng)電源輸入需要多種組件，因此這一點(diǎn)并不令人驚訝。為測(cè)量電流，需要采用檢測(cè)電阻器和放大器，而且，如果放大器共模范圍擴(kuò)展至正電源軌并將其輸出轉(zhuǎn)移至地，則是最便利的。測(cè)量電壓需要高精度的阻性分壓器，且倘若需要監(jiān)視的電壓不止一個(gè)，那么還必須在材料清單中添加一個(gè)多路復(fù)用器。接下來是一個(gè)多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，以及一個(gè)高精度基準(zhǔn)和某種與微處理器實(shí)現(xiàn)接口的工具，同時(shí)還可能與相鄰的 IC共享 I/O 線。假如需要檢測(cè)最小值和最大值或警報(bào)，則必需編寫并持續(xù)不斷地執(zhí)行代碼。由于整體復(fù)雜性很高且不容易找到合適的組件，因此不難看出電源監(jiān)視適合采用集成型解決方案。

通過把所有必要的功能部件集成在一個(gè)小型 3mm x 3mm QFN 或 MS12 封裝中，凌力爾特的 LTC2945 非常適用于眾多由于空間、復(fù)雜性或成本原因而無法采用分立式解決方案的應(yīng)用。LTC2945 的工作電壓雖低至 2.7V，但能監(jiān)視任何 0V 至 80V 電源軌的電壓和電流，及其自身特有的電源電壓和一個(gè)附加的電壓輸入。一個(gè)內(nèi)置的并聯(lián)穩(wěn)壓器可為高于 80V 的電源提供支持。為實(shí)現(xiàn)靈活性，將檢測(cè)電阻器外置，從而允許 LTC2945 準(zhǔn)確地監(jiān)視從 mA 級(jí)至 A 級(jí)甚至更大的電流。該 ADC 具有 12 位分辨率、一個(gè)對(duì)于電壓為0.75%以及對(duì)于電流為0.75%的最大總未調(diào)整誤差 (TUE)。而且，附加 ADC 輸入 (ADIN 引腳) TUE 也僅為 0.75%。此外，LTC2945 還集成了一個(gè)數(shù)字乘法器，該乘法器可計(jì)算一個(gè) 24 位功率結(jié)果，并把該數(shù)值與測(cè)量、狀態(tài)和用戶配置一起存儲(chǔ)在可通過 I2C 訪問的寄存器中。

圖 1：LTC2945 的簡(jiǎn)化方框圖

LTC2945 正設(shè)法進(jìn)入許多復(fù)雜和空間受限的應(yīng)用，包括 RAID 系統(tǒng)、電信、交通運(yùn)輸、太陽能監(jiān)視系統(tǒng)和工業(yè)計(jì)算機(jī) / 控制系統(tǒng)。幸運(yùn)的是：該器件只需要進(jìn)行幾個(gè)簡(jiǎn)單的連接。圖 2 示出了 LTC2945 監(jiān)視一個(gè) 3.3V 微處理器的輸入電壓和電流以及由 12V 電源供電的情形。僅需的外部組件是一個(gè)檢測(cè)電阻器和 3 個(gè)上拉電阻器。

圖 2：采用 12V VDD輸入的 LTC2945 輸入電源監(jiān)視器

由于具有很寬的軌至軌工作范圍，因此 LTC2945 適用于許多不同的低電壓和高電壓系統(tǒng)。不僅絕對(duì)最大額定值為 100V 的電源和檢測(cè)引腳提供了很大的裕量 (例如：在 48V 或 -48V 應(yīng)用中)，而且零電壓檢測(cè)監(jiān)視能力在監(jiān)視短路或斷電情況下的電流水平方面完全同樣適用。零電壓時(shí)的故障電流水平能立即指示電源或負(fù)載是否出現(xiàn)故障，而不需要借助額外的電路。內(nèi)部 12 位 ΔΣADC 本質(zhì)上在測(cè)量窗口內(nèi)對(duì)輸入噪聲求平均，因此在噪聲環(huán)境中工作并不是問題。在掃描模式中，該 ADC 分別以 25μV、25mV 和 0.5mV 的分辨率按順序連續(xù)地監(jiān)視差分檢測(cè)電壓、電源或正檢測(cè)電壓、以及備用 ADC 輸入電壓。在連續(xù)掃描模式中，轉(zhuǎn)換操作具有一個(gè) 7.5Hz 的有效刷新率，不過用戶也可進(jìn)入一種瞬像模式以進(jìn)行單個(gè)可選輸入的測(cè)量。在那些以節(jié)能為目標(biāo)的應(yīng)用中，通常高電壓監(jiān)視 IC 會(huì)預(yù)料有高靜態(tài)電流，但在此類應(yīng)用中并不合用;LTC2945 在監(jiān)視 48V 電源軌時(shí)僅消耗 0.8mA 電流，并可關(guān)斷以將功耗減低至僅 20μA。

給電源監(jiān)視器供電

LTC2945 能從寬電源范圍獲取其電源，從而極大地簡(jiǎn)化了任何應(yīng)用的設(shè)計(jì)過程。圖 3a 示出了 LTC2945 用于監(jiān)視一個(gè) 4V 至 80V 電源的情形。由于 VDD電源引腳可直接連接至受監(jiān)視的電源，因此無需輔助偏置電源。假如 LTC2945 被用來監(jiān)視一個(gè)最低降至 0V 的電源，則其可從一個(gè)連接至 VDD 的寬范圍輔助電源獲得電源，如圖 3b 所示。同樣，如果接入了一個(gè)低至 2.7V 的低電壓電源，則可按圖 3c 所示來配置 LTC2945，以最大限度地降低功耗。

圖 3a：LTC2945 從被監(jiān)視的電源獲得電源

圖 3b：LTC2945 從一個(gè)寬范圍輔助電源獲得電源

圖 3c：LTC2945 從一個(gè)低電壓輔助電源獲得電源

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對(duì)于超過 ±80V 的電源，在高端和低端配置中皆可采用位于 INTVCC引腳上的內(nèi)置線性穩(wěn)壓器通過一個(gè)外部分流電阻器向 LTC2945 供電。圖 4a 示出了一個(gè)具高于 80V 輸入監(jiān)視范圍的高端電源監(jiān)視器，其采用一種高端并聯(lián)穩(wěn)壓器配置。LTC2945 的地通過 RSHUNT與電路的地相隔離，并被箝位在低于輸入電源的 6.3V。由于具有不同的接地電平，因此 LTC2945 的 I2C 信號(hào)將需要進(jìn)行電平移位，以與參考于其他地的組件進(jìn)行通信;另外，還需要一個(gè)電流鏡來測(cè)量備用 ADC 輸入端上的外部電壓。圖 4b 示出了 LTC2945 從一個(gè)高于 -80V 的電源獲得電源的情形。這里，低端并聯(lián)穩(wěn)壓器配置通過把 INTVCC引腳電壓箝位于比輸入電源高 6.3V 來運(yùn)作，此時(shí)是一個(gè)負(fù)電源軌。如圖 4c 所示，如果輸入電源低于 -80V 且瞬態(tài)電壓被限制在 -100V 以下，那么就不需要使用一個(gè)并聯(lián)電阻器，這里，VDD測(cè)量電路地上的電源電壓 (相對(duì)于 LTC2945 的地)。

圖 4a：LTC2945 通過高端并聯(lián)穩(wěn)壓器獲得電源

圖 4b：在低端電流檢測(cè)拓?fù)渲?，LTC2945 通過低端并聯(lián)穩(wěn)壓器獲得電源

圖 4c：在低端電流檢測(cè)拓?fù)渲校琇TC2945 從受監(jiān)視的電源獲得電源

數(shù)字便利性 (Digital Convenience)

LTC2945 包括很多用于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的便利數(shù)字特性，可與靈活的供電選項(xiàng)協(xié)調(diào)一致。最明顯的數(shù)字特性是集成了一個(gè)數(shù)字乘法器，該乘法器可為用戶提供一個(gè) 24 位功率值，從而減輕了負(fù)責(zé)執(zhí)行電壓和電流數(shù)據(jù)輪詢及對(duì)額外計(jì)算之主機(jī)的工作負(fù)荷。LTC2945 通過將 12 位測(cè)量電流與 12 位測(cè)量電壓相乘來計(jì)算功率。在連續(xù)模式中，通過測(cè)量差分檢測(cè)電壓以獲得負(fù)載電流數(shù)據(jù)。然而，電壓數(shù)據(jù)可在電源電壓、正檢測(cè)電壓或備用 ADC 輸入電壓之間選擇。接著，在連續(xù)模式中以 7.5Hz 的速率計(jì)算該 24 位功率值，而在瞬像模式中則不對(duì)其進(jìn)行刷新。

LTC2945 具有用于電流和電壓以及功率的最小值和最大值寄存器，從而免除了連續(xù)軟件輪詢之需，并把 I2C 總線和主機(jī)解放出來以執(zhí)行其他的任務(wù)。除了檢測(cè)和存儲(chǔ)最小值 / 最大值之外，LTC2945 還具有最小 / 最大限值寄存器，可用于在任何限值被超過的情況下發(fā)出一個(gè)警報(bào)信號(hào)，這再次免除了增設(shè)微處理器 (以持續(xù)輪詢 LTC2945 和分析數(shù)據(jù)) 的需要。對(duì)于電源監(jiān)視器而言，警報(bào)響應(yīng)與最小值和最大值寄存器同等重要。圖 5 示出了 LTC2945 是怎樣利用軟件和硬件來產(chǎn)生警報(bào)信號(hào)。將測(cè)得的數(shù)據(jù)與用戶定義的門限進(jìn)行比較;過壓、欠壓、過流、欠流、過功率和欠功率門限均可定義并同時(shí)監(jiān)視。接著，一個(gè)狀態(tài)寄存器負(fù)責(zé)通知用戶哪個(gè)參數(shù)門限已被超過，而實(shí)際的故障值則被記錄于另一個(gè)寄存器中，并可在以后進(jìn)行查詢。一個(gè)單獨(dú)的警報(bào)寄存器允許用戶根據(jù)SMBus警報(bào)響應(yīng)協(xié)議來選擇將由哪個(gè)參數(shù)做出響應(yīng)，此時(shí)將播送警報(bào)響應(yīng)地址并拉低 /ALERT 引腳電平，以將警報(bào)事件通知主機(jī)。

圖 5：LTC2945 故障警報(bào)信號(hào)的發(fā)生

LTC2945 采用了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 I2C 接口，該接口與外界的通信能力有了非常獨(dú)特的提升?？商峁?9 個(gè) I2C 器件地址，因此可以容易地把多個(gè) LTC2945 設(shè)計(jì)在同一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。所有的 LTC2945 器件都響應(yīng)一個(gè)公共地址，這使得總線主控器能夠同時(shí)對(duì)多個(gè) LTC2945 進(jìn)行寫操作，這與其各自的地址無關(guān)。一個(gè)阻塞總線復(fù)位定時(shí)器負(fù)責(zé)內(nèi)部 I2C 狀態(tài)機(jī)的復(fù)位，以使正常的通信能在 I2C 信號(hào)保持于低電平超過 33ms 時(shí) (阻塞總線情況) 得以恢復(fù)。一個(gè)分路 I2C 數(shù)據(jù)線可輕便地免除使用 I2C 分路器或組合器 (以實(shí)現(xiàn)橫跨一個(gè)隔離邊界的雙向數(shù)據(jù)發(fā)送和接收) 的需要。此外，LTC2945-1 還具有一個(gè)反相數(shù)據(jù)輸出，以與負(fù)輸出光隔離器配置一起使用。

結(jié)論

LTC2945 是一款可適應(yīng)眾多應(yīng)用的通用型電路板級(jí)電源監(jiān)視器，為用戶提供了一種簡(jiǎn)單但非常有效的電壓、電流和功率監(jiān)視方法。高性能單元式部件使 LTC2945 能輕而易舉地監(jiān)視 0V 至 80V 的正和負(fù)電源軌，并擁有同類最高的準(zhǔn)確度。由于提供了獨(dú)立的高電壓監(jiān)視和電源引腳、以及一個(gè)用于支持超過 80V 電源的內(nèi)置穩(wěn)壓器，因此用戶獲得了多種供電選項(xiàng)。與 LTC2945 的卓越模擬性能相匹配的是其可減少主機(jī)資源占用的數(shù)字特性，包括一個(gè)乘法器、最小值 / 最大值寄存器、可配置警報(bào)和一個(gè)非常有能力的 I2C 接口。