用高压Ｉ２Ｃ电流和电压监视器进行测量

Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ　Ｇｏｂｏｋ

摘要：采用分立元器件和其他电源监视器的传统实施方法在复杂性、功能或性能方面往往达不到要求，LTC4151提供一种简单但非常有效的方法来监视电流、电压和温度。本文介绍了一个通用电源监视器LTC4151如何应对多种电源监视应用的功能需求。

关键词：电源监视；高端检测；低端检测；LTC4151

引言

电子产品设计的复杂性不断提高，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元器件。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，那么还必须给这个元器件表增加一个多路复用器。接着是具有精确基准和一些与微处理器连接的模数转换器(ADC)，同时也许还有与相邻IC共享I／O线。由于找到合适元器件的总体复杂性和困难，电源监视最好的方法就是集成解决方案。

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准确地监视从mA到A或更大范围的电流。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FC进行，有9个器件地址选择。

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，原先在分立解决方案中由于空间或成本而不可能实现的应用，现在变得切实可行了。

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×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显示LTC4151监视至12VDC／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直接连接到微控制器。所需要的外部元器件仅为一个检测电阻和两个总线上拉电阻。

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。遗憾的是，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。此时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161/2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以高达+80V工作!

就7～80V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他系统。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。

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20μV／LSB的分辨率。这种准确度就大多数应用而言是足够的，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V_IN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。这些准确度数字在一40～85℃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，工作于负电压并消耗大量电流，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120μA(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。

图4显示LTC4151-1如何连接到-48VAdvanced TCA(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，V_in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。

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。PC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、V_IN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。采用分立和其他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。它包括内部检测放大器、增量累加ADC和12C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。总之，LTC4151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。