Pomiar prądu przez PMBus - część 1

To pierwszy artykuł z dwuczęściowej serii. Część 1 (poniżej) przedstawia rodzinę cyfrowych menedżerów systemu elektroenergetycznego (DPSM) i obejmuje podstawowe metody pomiaru natężenia płynącego prądu. Wprowadzono również wątki związane z LTpowerPlay i opisano pomiar energii. Część 2 odnosi się do pomiaru prądu na źródłach wysokiego napięcia lub ujemnego, a także względem zagadnień związanych z dokładnością układów z rodziny DSPM.

Projektanci na poziomie płyty mają za zadanie: „ją ożywić”, monitorować stan, dostosowywać ustawienia, przeprowadzać diagnostykę, przełączać w tryb offline w celu kontroli zachowania, rozwiązywać powstające problemy, gdy coś nie jest w porządku i: „z wdziękiem” wyłączać system bez żadnych incydentów. W świecie projektowania zaawansowanych systemów cyfrowych, opracowywania zasilaczy i układów, zarządzanie energią może być nie tylko skomplikowane, ale i trudne. Menedżer systemu elektroenergetycznego to układ, który agreguje różne funkcje, takie jak sekwencjonowanie włączania poszczególnych linii zasilania, wykrywanie usterek, testowanie marginesów, koordynowanie wyłączania mechanizmu, pomiary wyznaczonych napięć i płynących prądów tudzież zbieranie danych do analizy. Tematem tego artykułu jest pomiar prądu zasilania za pomocą urządzeń z rodziny LTC297x.

W przypadku zasilaczy, które napędzają komponenty o wysokiej wartości, takie jak układy FPGA, procesory i transceivery optyczne, ważny może okazać się pomiar prądu pobieranego z szyny zasilającej. W tym przypadku dane te pozwalają projektantowi płytki uzyskać wgląd w jej działanie. Gdy mierzony jest prąd, a aktualna wartość jest w formacie cyfrowym, urządzenie może obliczać pobieraną moc i oszacować zużywaną energię. Dzięki temu kontroler systemu wykona unikalne obliczenia, poszuka trendów w danych, zaplanuje zadania itp.

Na temat pomiaru prądu napisano wiele artykułów technicznych i not aplikacyjnych, jednakże żaden dokument nie obejmował tego wątku specjalnie w ujęciu układów DPSM. Artykuł ten zahacza zarówno o aspekty analogowe, jak i cyfrowe oraz opisuje różne obwody pomocnicze do pomiaru prądu przy niskim/wysokim napięciu i szyn ujemnych.

Rodzina układów DPSM LTC297x

Przedmiotem tego artykułu są układy do zarządzania systemami elektroenergetycznymi, które mają wbudowany pomiar prądu. Tabela 1 opisuje poszczególne różnice pomiędzy nimi.

LTC2977/LTC2979/LTC2980/LTM2987 można skonfigurować do monitorowania, ale istnieją pewne ograniczenia. Tylko kanały nieparzyste obsługują pomiar prądu i są one zwracane w nieskalowanych jednostkach woltów. Zostało to omówione bardziej szczegółowo w 2 części tego materiału.

Poniższy artykuł koncentruje się na układach LTC2971, LTC2972, LTC2974 i LTC2975 ze względu na ich zdolność do pomiaru prądu wyjściowego i możliwość systemowego oraz programowego odczytywania wartości natężenia w jednostkach amperów za pomocą polecenia: „READ_IOUT”.



Podstawy PSM

Menedżery systemów energetycznych zapewniają cyfrowy widok kluczowych odczytów napięcia i prądu zasilacza. Jest to potężna cecha całej rodziny produktów: host systemu lub aplikacja LTpowerPlay mogą obsługiwać początkowe uruchamianie płyty, debugowanie, weryfikację lub zbieranie danych bazowych, lub wyszukiwanie trendów. Podczas gdy niektóre kanały zasilające nie wymagają precyzyjnych odczytów prądu, wiele krytycznych wyjściowych potrzebuje bardzo dokładnych pomiarów.

W tym artykule zostaną omówione różne aktualne opcje, w tym kompromisy między kosztami, złożonością i dokładnością.



Opcja pomiaru prądu

Układy LTC2971/LTC2972/LTC2974/LTC2975 dokładnie mierzą prąd wyjściowy. Należy korzystać z tych urządzeń, gdy tylko jest to możliwe, ponieważ posiadają one dedykowane piny oraz komendy PMBus, które dostarczają danych do systemu telemetrii w postaci skalibrowanej wartości w amperach.



Wystarczy podłączyć linię ISENSE do bocznika, skonfigurować kilka rejestrów, a chip zajmie się resztą. Układ ten przetwarza zmierzone napięcie na wartość prądu. LTpowerPlay wyświetla prąd w czasie rzeczywistym jako wartości liczbowe i na wykresie w systemie telemetrycznym.



Możliwe jest również użycie układów LTC2977/LTC2979/LTC2980/LTM2987 do pomiaru prądu wyjściowego; jednak polecenie: „READ_IOUT” zwraca w nich napięcie, które musi zostać przekonwertowane na ampery przez hosta systemu lub aplikację LTpowerPlay. W praktyce oznacza to, że oprogramowanie, a nie chip, musi przechowywać wartość rezystancji bocznika szeregowego.

Szeregowy rezystor bocznikowy nie jest jedynym sposobem pomiaru prądu. Tabela 2 podsumowuje aktualne opcje architektur dostępne dla rodziny DPSM i związane z ich wykorzystaniem kompromisy. Należy również wziąć pod uwagę dokładność, koszt, miejsce na płytce drukowanej i inne czynniki.



Pomiar za pomocą rezystora bocznikowego

Najpopularniejsza metoda wykorzystuje rezystor bocznikowy, czasami nazywany bocznikiem prądowym. Niezależnie od tego, czy układ konwersji DC-DC jest przetwornicą impulsową, czy stabilizatorem liniowym, rezystor bocznikowy jest umieszczony szeregowo z wyjściem. Dzielnik rezystora sprzężenia zwrotnego jest podłączony do węzła wyjściowego w taki sposób, że bocznik znajduje się wewnątrz pętli sprzężenia zwrotnego. Co umożliwia stabilizatorowi kompensację spadku napięcia na rezystorze bocznikowym po przyłożeniu prądu obciążenia. A to znacznie poprawia stabilizację napięcia w funkcji obciążenia.



Komenda PMBus wykorzystywana do kalibracji konwersji wartości spadku napięcia na pobierany prąd nazywa się: „IOUT_CAL_GAIN”. Układ do wykonania tej operacji potrzebuje nominalną wartość rezystora pomiarowego. Układ mierzy niewielki spadek napięcia na tym oporniku, wykorzystując do tego wejście oznaczone jako ISENSE. A następnie, znając poziom rezystancji, wewnętrznie konwertuje oszacowane napięcie na prąd. Jego wartość zwracana jest po podaniu komendy: „READ_IOUT”. Jeśli potrzebna jest znajomość zmierzonych parametrów napięcia, można uzyskać je za pomocą dyrektywy: „MFR_IOUT_SENSE_VOLTAGE”. Układ oblicza wartość prądu I, jak wskazuje to równanie 1:

$$I = \frac {V_{zmierzone}}{Współczynnik kalibracyjny} \qquad (1)$$

W przypadku korzystania z bocznika rezystancyjnego należy ustawić wartość: „MFR_IOUT_CAL_GAIN_TC” zgodnie ze specyfikacją producenta, aby skompensować zmiany temperatury. Generalnie boczniki większe niż 10 mΩ mają niższe współczynniki temperaturowe, typowo poniżej 100 ppm/°C.

Maksymalne różnicowe napięcie wykrywane na stykach ISENSE jest podane w specyfikacji układu w karcie katalogowej. Większość układów z rodziny LTC297x jest ograniczona do ±170 mV napięcia różnicowego — spadku napięcia na oporniku pomiarowym. Zapewnia to więcej niż wystarczający zakres dla większości zastosowań. Maksymalne napięcie pomiarowe jest obliczane jako: VSENSE = RSNS × IOUT(MAX), gdzie VSENSE to maksymalny zakres napięcia dla prądu IOUT(MAX) płynącego przez opornik RSNS. Ogólnie rzecz biorąc, najpierw określane jest maksymalne napięcie wejściowe układu, a rezystancja opornika pomiarowego RSNS jest szacowana w następujący sposób: RSNS = VSENSE / IOUT(MAX). Maksymalne napięcie pomiarowe jest dobierane tak, aby było wystarczająco dużym sygnałem (i bez podatności na zakłócenia). Jednak nie stwarzało problemu z rozpraszaniem mocy ani ze spadkiem napięcia na ścieżce wyjściowej na oporniku pomiarowym. Wartości w zakresie od 50 mV do 80 mV to dobre maksymalne napięcie pomiarowe dla większości systemów. Fizyczny rozmiar rezystora należy dobrać tak, aby zapewniał odpowiednią moc — większą niż obliczone rozpraszanie mocy na rezystorze czujnika: PD = RSNS × (IOUT(MAX))².

Inna metoda dodaje wzmacniacz do konwersji sygnału do napięcia odniesionego i masy (CSA), aby wysterować wejście typu single-ended, które jest podawane do pinów sensora prądu menedżera zasilania w układzie. Podejście to jest zwykle stosowane w przypadku pomiaru prądu linii zasilania, która jest wyższa niż limit 6 V napięcia wejściowego większości menedżerów z rodziny LTC297x. Układ CSA powinien mieć dobre parametry pracy, w szczególności wysokie tłumienie sygnałów współbieżnych. Typowo zasilanie pochodzi z mierzonej szyny i GND. Szczegóły dotyczące tej metody zostały omówione w 2 części danego artykułu.



Firma Analog Devices oferuje wiele łatwych w obsłudze modułów z rodziny μModule o niewielkich rozmiarach. Menedżer PSM to dobry układ towarzyszący, dedykowany do sterowania sekwencjonowaniem i nadzorowania linii zasilania. Większość elementów μModule ma wewnętrzne cewki indukcyjne. Jednak niektóre z nich zawierają również górny rezystor sprzężenia zwrotnego, co uniemożliwia dodanie zewnętrznego bocznikowego wewnątrz pętli. Należy wybrać urządzenie µModule, które pozwala na użycie zewnętrznego górnego rezystora sprzężenia zwrotnego, aby uzyskać najwyższą dokładność napięcia wyjściowego.

Pomiar z wykorzystaniem DCR cewki indukcyjnej

Pomiar z wykorzystaniem rezystancji stałoprądowej (DCR) cewki przetwornicy to metoda, która mierzy prąd poprzez spadek napięcia dla prądu stałego płynącego przez cewkę wyjściową stabilizatora typu buck. Cewka indukcyjna może być modelowana jako idealna indukcyjność i rezystancja szeregowa zwana DCR (patrz rysunek 6). Jest to zazwyczaj preferowana technika dla wysokoprądowych linii zasilania (powyżej 20 A). Dodatkowy element, jakim jest bocznik rezystancyjny, tylko niepotrzebnie rozprasza moc i generuje ciepło.

Trzeba mieć dostęp do obu końców cewki indukcyjnej, aby móc mierzyć na niej prąd, a sieć filtrów musi być umieszczona między punktami pomiaru a pinami wejściowymi czujnika LTC297x. Sieć filtrów to 2-stopniowy różnicowy filtr dolnoprzepustowy RC. Dla wygody i niewielkich rozmiarów można zastosować 4-elementowy układ rezystorów. Ich wartości powinny być tak dobrane, aby spadek IR był wystarczająco mały, by zapobiec błędom wynikającym z prądu wejściowego LTC297x. Jednak dostatecznie duży, aby utrzymać parametry kondensatora poniżej 1 μF.

Karty katalogowe układów LTC2971/LTC2972/LTC2974/LTC2975 zawierają wskazówki dotyczące wyboru wartości elementów filtra RC. Prześledźmy poniższy przykład:

Załóżmy, że L = 2,2 µH, DCR = 10 mΩ a fSW = 500 kHz. Niech Rcm1 = Rcm2 = 1 kΩ.

$$C_{CM1} = \frac {L} {DCR \times R_{CM1}} = \frac {2,2 \mu H} {0.01 \times 1 k \Omega} = 220 nF \qquad (2)$$
$$C_{CM2} = \frac {L} {2 \pi \times (\frac {f_{SW}}{10}) \times R_{CM2}} = \frac {1} {6.28 \times 50 kHz \times 1 k \Omega} = 3.2 nF \qquad (3)$$



Pomiar z wykorzystaniem rezystancji stałoprądowej cewki oferuje bezstratne wskazanie; jednak jego dokładność spada ze względu na zmienność rezystancji uzwojenia cewki indukcyjnej. Często zdarza się, że specyfikacje tego parametru dla cewki mają dokładność na poziomie nawet ±10% lub też producent określa tylko wartość maksymalną. Rzeczywisty współczynnik DCR będzie się różnić w zależności od cewki indukcyjnej i partii produkcyjnej.

Alternatywny schemat filtrowania wykorzystuje po dwa rezystory i kondensatory. Zmniejsza to liczbę komponentów z ośmiu do czterech, jednak parametry tego filtra nie są tak dobre, jak w bardziej skomplikowanym układzie. Schemat uproszczonych filtrów pokazano na rysunku 7.



Konfiguracja PMBus

Aby skonfigurować LTC297x za pomocą poleceń PMBus, wartość nominalną rezystora bocznikowego lub DCR cewki indukcyjnej ustawia się za pomocą polecenia: „IOUT_CAL_GAIN”. W przypadku cewek uzwojonych drutem miedzianym, DCR rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Wprowadzi to błędy w odczycie READ_IOUT. Można to skompensować, ustawiając współczynnik temperaturowy miedzi za pomocą polecenia: „MFR_IOUT_CAL_GAIN_TC”. Domyślna wartość tablicowa dla tego materiału to 3900 ppm/°C. Może być konieczne dostosowanie jej do cewki indukcyjnej, ponieważ parametr ten może się znacznie różnić, gdyż drut nawojowy jest stopem, a nie czystą miedzią. MFR_IOUT_CAL_GAIN_THETA to termiczna stała czasowa, którą można ustawić zgonie ze stałą materiałową. Arkusze danych LTC297x opisują bardziej szczegółowo te parametry.

Ważne jest, aby umieścić czujnik temperatury (tranzystor bipolarny wykorzystany jako dioda) blisko cewki indukcyjnej, by uzyskać dokładniejszą kompensację temperaturową. Układy LTC2971/LTC2972/LTC2974/LTC2975 wyposażone są w wejście TSENSE, które dedykowane jest do podłączenia takiego właśnie czujnika.

IMON

Piny IMON zyskują popularność w wielu stabilizatorach, zarówno impulsowych, jak i liniowych. Stabilizatory te mają pin wyjściowy dla czujnika prądu, który umożliwia monitorowanie prądu obciążenia układu. Zaletą wykorzystania pinu IMON jest to, że jest to zupełnie bezstratna metoda, a dodatkowo nie ma się o co martwić w zakresie napięcia współbieżnego, ponieważ piny LTC297x ISENSE nie łączą się z VOUT. Pin IMON jest sygnałem wyjściowym typu single-ended, który reprezentuje ułamek prądu wyjściowego jako napięcie odniesione do masy; może być to wyjście napięciowe lub prądowe wymagające rezystora podłączonego do GND. Piny wyjścia prądowego IMON pozwalają użytkownikowi wybrać wartość rezystora, a tym samym ustawić maksymalne napięcie pełnej skali.

Napięcie może być znacznie większym sygnałem niż to powstałe na boczniku prądowym lub cewce indukcyjnej. Układy takie jak LTC2972 i LTC2971 mają nawet specjalne bity konfiguracyjne, aby umożliwić wyższe poziomy sygnału. Nazywa się je: „IMON_SENSE”. Bit ten znajduje się w komendzie: „MFR_CONFIG” i jest poleceniem stronicowanym.



Wartość rezystora IMON powinna być dobrana tak, aby zapewnić szeroki zakres dynamiki we wszystkich warunkach obciążenia. Ogólnie precyzyjność IMON jest dobra przy średnim i dużym obciążeniu (średniego i dużego prądu). Jednak traci na dokładności, gdy chodzi o niewielkie prądy. Więcej szczegółów można znaleźć w specyfikacji technicznej danego stabilizatora.



Niektóre stabilizatory łączą funkcję ograniczenia prądu z pinem IMON. Może on nosić nazwę: „IMON/ILIM”. Należy uważać, aby nie wybrać takiej wartości rezystora IMON, że napięcie IMON aktywuje obwód ograniczenia prądu przy pełnym obciążeniu. Przykłady obejmują stabilizatory liniowe, takie jak LT3072 i LT3086. W innych przypadkach, takich jak układy LT3094 i LT3045, istnieje osobny pin ILIM, który działa jako ograniczenie prądu. Jednak może być również używany niczym monitor prądu wyjściowego. W przypadku niektórych stabilizatorów przełączających pin, ten może nazywać się IMON, a wbudowana funkcja ograniczenia prądu nie musi być oczywista. Przykłady obejmują układy takie jak LT8652S i LT8708. Obwód ograniczenia prądu ma tak zwany foldback — nie wyłącza on wyjścia przy przekroczeniu prądu maksymalnego. Jednakże ogranicza napięcie wyjściowe, aż prąd spadnie do akceptowalnego poziomu.

Pomiar prądu wejściowego

System zasilania może mieć pojedyncze źródło, które napędza wiele stabilizatorów umieszczonych dalej. Wejściowy prąd zasilania może być mierzony przez układy takie jak LTC2971, LTC2972 lub LTC2975. Pomiar prądu wejściowego (IIN) jest prosty za pomocą LTC2971/LTC2972/LTC2975, ponieważ układy te mają natywną możliwość podłączenia pinów do rezystora pomiarowego w ścieżce napięcia wejściowego. Bezpośrednie podłączenie pinów IIN_SNS jest ograniczone do zasilania o napięciu poniżej 15 V dla LTC2972/LTC2975 i 60 V dla LTC2971.



Niezależnie od tego, czy mierzy się prąd wyjściowy/wejściowy/zasilający itp., istnieje programowalny przez użytkownika rejestr PMBus, który przekształca oszacowane napięcie na prąd. W przypadku wejściowego prądu zasilającego wykorzystywany jest PMBus MFR_IIN_CAL_GAIN, można go, wówczas odczytać z READ_IIN.



Opisywane układy mogą mierzyć nie tylko prąd, ale i napięcie. Polecenia PMBus do pomiaru napięcia to: „READ_IIN” i: „READ_VIN”. Dzięki pomiarowi prądu i napięcia przy ustalonej podstawie czasu LTC2971/LTC2972/LTC2975 może również obliczać moc i energię dostarczaną do systemu. Akumulator energii został opisany w dalszej części tekstu.

LTC2971 jest w stanie mierzyć wejściowy prąd zasilania na szynie 60 V. Piny IIN_SNS mogą być bezpośrednio podłączone do rezystora pomiarowego na wejściu zasilacza. W przypadku napięć zasilania powyżej 24 V zaleca się użycie przetwornicy typu buck do napędzania LTC2971 przez pin VPWR. Oszczędza to energię i zapobiega samonagrzewaniu się LTC2971. Moc rozpraszana jest równa VPWR × IPWR i może powodować wzrost temperatury układu powyżej akceptowalnego poziomu. ADP2360 ma opcję zasilania stałym napięciem 5 V, która oferuje tanie rozwiązanie o niewielkich rozmiarach.



Pomiar energii

W wielu aplikacjach ważnym może być monitorowanie zużycia energii. Niezależnie od tego, czy źródłem zasilania jest stabilizator impulsowy, wyjście panelu słonecznego, czy akumulator, przydatne może być poznanie całkowitej energii zużywanej przez system. Układy LTC2971/LTC2972/LTC2975 są zdolne do pomiaru prądu po stronie wysokiego napięcia wejściowego zasilania. Ta funkcja umożliwia menedżerowi pomiar wejściowego prądu zasilania. LTpowerPlay jest bardzo przydatne do realizacji funkcji wskazanych wyżej oraz odczytu energii. Po wybraniu polecenia: „READ_EIN” okno telemetrii wyświetli wykres zużywanych zasobów w czasie rzeczywistym.



Licznik energii mierzy także wejściowe napięcie zasilania i dlatego może również wyznaczać moc wejściową. Ponieważ zasoby energetyczne są iloczynem mocy i czasu, skumulowana energia jest obliczana na podstawie wewnętrznej podstawy czasu menedżera. Miernik wyświetlany w prawym górnym rogu GUI dostarcza więcej informacji. Igła jest wskaźnikiem obrazującym w czasie rzeczywistym poziom mocy wejściowej w watach, a pięć mniejszych tarcz pokazuje całość pobranych zasobów, podobnie jak licznik energii elektrycznej w domu. Dla wygody zapewniono również odczyty cyfrowe.



LTpowerPlay oferuje prosty i łatwy do zrozumienia interfejs, który łączy odczyty prądu wejściowego i wyjściowego, napięcia, mocy i energii. Prąd, moc, energia i napięcie wejściowe mogą być wyświetlane w formacie tabelarycznym. Pojawiają się one w części telemetrycznej GUI. Rejestr MFR_EIN przechowuje skumulowaną wartość energii w milidżulach. Istnieje również pomiar łącznego czasu, przez który akumulator energii był aktywny i jest pokazywany jako rejestr MFR_EIN_TIME. GUI. Automatycznie aktualizuje on wyświetlaną wartość o prefiks SI, gdy jednostki zmieniają się z mJ na J na kJ.



Tabela 3 jest podsumowaniem wszystkich danych telemetrycznych, które można odczytać z układu LTC297x. Rejestry są interpretowane za pomocą odczytu słów przez PMBus, z wyjątkiem MFR_EIN, który jest rozpatrywany blokowo.



1. Jeśli bit ADC_HIRES jest ustawiony, wartość READ_VOUT zwracana jest w mV w formacie L11.
2. Blokowy odczyt parametrów, które zawierają wartość energii w mJ i czas w ms.

Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/current-sensing-with-pmbus-digital-power-system-managers-part-1.html