Część druga tej serii artykułów opisuje, w jaki sposób mierzyć prąd na liniach wysokiego napięcia lub ujemnych zasilających oraz jak ustawić rejestry konfiguracyjne dla metody szacunków poprzez pin IMON. Ten artykuł obejmuje zagadnienia odnoszące się do dokładności pomiaru prądu i zawiera instrukcje dotyczące programowania urządzeń przy użyciu LTpowerPlay®. W części 1 omówiliśmy ogólne koncepcje mierzenia prądu, w tym różne metody i topologie obwodów.
Poza granicami
Układy z serii LTC297x mają limity dotyczące napięcia przyłożonego do pinów czujnika, zarówno VSENSE, jak i ISENSE. Margines ten wynosi 6 V. Jest tak w przypadku większości z poniższych układów z rodziny LTC297x, a jedyny wyjątek stanowi LTC2971, który ma ograniczenia do ±60 V. Dla szyn zasilających, które pracują z napięciem większym niż 6 V lub dla ujemnego napięcia zasilania, należy opracować pośrednią metodę na cewce indukcyjnej bądź rezystorze pomiarowym.
Dzielnik rezystorowy
W przypadku napięć zasilania wyższych niż maksymalne znamionowe pinów ISENSE można pokusić się o zastosowanie dwóch dzielników. Wydaje się to rozsądnym pomysłem, dopóki nie policzy się błędu podzielonego sygnału. Po każdej stronie elementu czujnikowego znajduje się dzielnik napięcia. Wyjście jest pobierane z każdego z nich i podawane do pinów układu LTC297x. Jeśli proporcje rezystorów od góry do dołu są zgodne, cel, jakim jest dokładny pomiar prądu sygnałów WN zostaje osiągnięty. Napięcie zasilania jest dzielone na tyle, aby utrzymać wejścia LTC297x w ich granicach. A zmniejszone wyjście wytwarza proporcjonalne napięcie, które może być mierzone przez LTC297x. Jednak wymagana tolerancja rezystora sprawia, że takie podejście jest wysoce niepraktyczne. Co więcej, im bardziej dzielone jest napięcie, tym większa będzie nieprawidłowość. Na przykład, jeśli tylko jeden z rezystorów ma błąd 0,1%, wynikiem jest zauważalna niepoprawność offsetu. Błąd wzmocnienia wnosi bardzo mało, a w systemie dominuje ten chwilę temu wymieniony.
Załóżmy na przykład, że musimy zmierzyć prąd wyjściowy zasilacza 12 V. Zasilanie wynosi 2 A, a w torze wyjściowym umieszczony jest rezystor bocznikowy 10 mΩ (RSNS). Bocznik wygeneruje sygnał 20 mV przy pełnym obciążeniu. Obwód dzielenia przez 3 jest właściwym wyborem, a rezystory górny i dolny są dobierane odpowiednio na 2 kΩ i 1 kΩ. To ustawia napięcie w trybie wspólnym pinów ISENSE na 4 V. Zastosowanie relatywnie niskich wartości służy utrzymaniu niewielkiej impedancji źródła w celu zmniejszenia błędów indukowanych prądem upływu z równoważnej rezystancji Thevenina dzielnika.
Rys.1. Dzielnik oporowy do pomiaru prądu powoduje duży błąd.
Załóżmy stan bez obciążenia, a wszystkie rezystory jako idealne. Każdy punkt środkowy dzielnika będzie miał napięcie 4,00 V, a delta V wyniesie zero. Dlatego LTC297x będzie odczytywało wartość READ_IOUT jako 0.000 A. Jednakże, jeśli rezystancja jednego z komponentów 2 kΩ jest wyższa o 0,1% (2002 Ω), delta V będzie stanowić 2,665 mV. Pamiętaj jednak, że pełna skala to 20 mV podzielone na 3, czyli 6,667 mV, co widać po pinach ISENSE. Odczyt 2,665 mV przekłada się na prąd wyjściowy 0,4 A. To 20% oczekiwanego odczytu pełnej skali! Jak wspomniano wcześniej, wprowadzona nieprawidłowość jest błędem offsetu, a nie wzmocnienia. Jest to jednak bardzo duża niepoprawność. Takie podejście jest zbyt wrażliwe na tolerancję rezystora i trzeba poszukać innej, lepszej metody.
Wzmacniacz pracujący po stronie wysokiej
Ponieważ układy LTC2972/LTC2974/LTC2975 mają ograniczenie do 6 V na pinach ISENSE, rozwiązaniem tego problemu jest użycie wzmacniacza z pomiarem prądu (CSA) do translacji poziomu. LT6100/LTC6101 są popularne w tej aplikacji ze względu na stałe, konfigurowalne przez użytkownika wzmocnienie. Dokładność jest znacznie lepsza niż w przypadku rezystorów dzielnika.
Rys.2. Wzmacniacz z pomiarem prądu używany jako translator poziomu.
Oto odpowiednie równania i warunki:
$$V_{OUT} = I_{LOAD} \times RSNS \times (\frac {R_2} {R_1} \qquad (1)$$
Zakładając $$IOUT\_CAL\_GAIN = RSNS \times \frac {R_2} {R_1} $$ Utrzymuj VISENSEP < ±170 mV.
LTC2971 do pomiaru prądu na szynach wysokiego napięcia
W przypadku szyn wysokiego napięcia należy wykorzystać układ LTC2971 (2-kanałowy DPSM) do bezpośredniego mierzenia prądu i napięcia z sygnałami do 60 V. LTC2971 jest dostępny w czterech różnych opcjach. LTC2971-1 obsługuje pomiar 60 V na jednym kanale i –60 V na drugim. LTC2971-2 wspiera -60 V na obu, a opcja LTC2971-3 obsługuje napięcia 60 V i 1,8 V. LTC2971 wspiera wskazania 60 V na obu kanałach. Bezpośrednie połączenie z pinami IOUT_SNS pozwala uniknąć zewnętrznych dzielników, które zwiększają koszty, miejsce zajmowane na płytce i wprowadzają błędy. Dokładność pomiaru prądu LTC2971 wynosi 0,6% odczytu READ_IOUT.
Tabela 1. Opcje LTC2971.
Pomiar prądu po niskiej stronie
W niektórych przypadkach lepszą opcją może być mierzenie prądu w obrębie masy. Rezystor pomiarowy uda się umieścić po niskonapięciowej stronie obciążenia. Podczas gdy piny ISENSE można podłączyć do tego rezystora. Dzięki temu piny ISENSE mierzą napięcie współbieżne będące w pobliżu GND. W przypadku napięć zasilania większych niż 6 V może to dobrze pasować do danej aplikacji. Jest to korzystne rozwiązanie na praktycznie każdej szynie zasilającej, w tym tych wysokiego napięcia. Wybór wartości RSENSE jest kompromisem między uzyskaniem wystarczająco dużego sygnału dla dobrej dokładności a dostatecznie niską rezystancją, która nie przyczyni się do znaczącego spadku napięcia na elemencie pomiarowym, powodując obniżenie napięcia wyjściowego widzianego przez monitorowane obciążenie. Co przekłada się na pogorszenie stabilności napięcia zasilającego układ. Rysunek 3 przedstawia rezystory sprzężenia zwrotnego i połączenia czujnika w topologii Kelvina dla VSENSE. Topologia Kelvina to termin używany do opisania połączeń wykonanych z elementem sensora, które eliminują wpływ spadków napięcia na przewodach pomiarowych w relacji do wyniku.
Należy zadbać o ustalenie ścieżki prądu powrotnego dla rezystora pomiarowego. Multum płytek o wysokiej gęstości upakowania elementów jest zaprojektowanych z wieloma warstwami masy, co pozwala na przepływ prądu powrotnego kilkoma ścieżkami. Zastosowanie rezystora bocznikowego daje możliwość wymuszenia prądu powrotnego przez konkrety komponent, umożliwiając w ten sposób podłączenia w topologii Kelvina tego elementu do pinów ISENSE układu pomiarowego.
Rys.3. Badanie prądu po stronie niskiego napięcia rozwiązuje problemy z pojawianiem się wysokiego na wejściu układu pomiarowego, ale również ma swoje wady.[/center]
Pomiar prądu w liniach zasilania ujemnego
Istnieje kilka różnych sposobów monitorowania prądu wyjściowego w liniach ujemnego zasilania. Najprostszym rozwiązaniem jest użycie układu dedykowanego do tego celu — wzmacniacza różnicowego, takiego jak LTC6105. Rysunek 4 pokazuje wejścia połączone w bocznik, a wzmacniacz różnicowy jest napędzany z VDD33 PSM i ujemnej szyny napięcia zasilania. Wyjście tego wzmacniacza to sygnał typu single-ended, który można podłączyć do pinów ISENSE lub VSENSE PSM.
Jeśli wzmacniacz różnicowy jest podpięty do pinów ISENSE należy ustawić: „IOUT_CAL_GAIN” na RSNS × GAINCSA. Na przykład, jeśli rezystancja bocznika wynosi 10 mΩ, a wzmocnienie CSA stanowi 10, trzeba określić IOUT_CAL_GAIN jako 100. Mówimy tu o jednostkach w miliomach.
Rys.4. Mierzenie prądu ze wzmacniaczem różnicowym LTC6105.
Wykorzystanie LTC2971-1 lub LTC2971-2 jest najprostszym rozwiązaniem do monitorowania prądu w liniach ujemnego zasilania. Są to układy dwukanałowe, a oba kanały pomiarowe LTC2971-2 mogą natywnie mierzyć prądy na liniach zasilania do -60 V. LTC2971-1 ma taką możliwość tylko na pierwszym.
Rys.5. Pomiar prądu na linii zasilania ujemnego bez wykorzystania dodatkowych elementów.
Uwaga! Wejście READ_VOUT układu LTC2971 jest zapisywane jako L16 i nie posiada znaku. Wielkość wyświetlana w GUI dla ujemnej jest po prostu odwracana programowo.
Rys. 6. Karta konfiguracji LTpowerPlay dla kanału 1 LTC2971-1 i obu kanałów LTC2971-2.
Przykłady wykorzystania IMON
Sterowane prądem piny IMON pozwalają użytkownikowi wybrać wartość rezystora, która desygnuje wzmocnienie pomiaru i maksymalne napięcie. Urządzenie PSM mierzy różnicę napięć między pinami ISENSEP i ISENSEM, a wzmocnienie należy ustawić za pomocą rejestru MFR_IOUT_CAL_GAIN, co jest podobne do weryfikacji za pomocą bocznika.
Stabilizator LDO LT3081 posiada pin IMON, który można wykorzystać jako przykład działania tego rozwiązania. IMON LT3081 to prąd obciążenia podzielony przez 5000. Załóżmy, że używany jest rezystor 2 kΩ. Napięcie pinu IMON na amper wynosi zatem:
$$V_{IMON} = (\frac {I_{LOAD}} {5000}) \times 2000 \Omega = 0,4 \frac{V}{A} \qquad (2) $$
Rys.7. Korzystanie z pinu LT3081 IMON.
Jeśli prąd obciążenia stanowi 2 A, napięcie IMON wyniesie w takiej sytuacji 0,8 V. Z tego równania jasno wynika, że zmieniając napięcie IMON można zwiększyć czułość pomiaru prądu obciążenia, zwielokrotniając po prostu wartość rezystora IMON. Jeśli tak zrobimy, maksymalne napięcie (pełne obciążenie) może równie dobrze wynosić ponad 1 V. Piny ISENSE urządzenia PSM muszą dostosować się do tak dużego skoku. W przypadku LTC2974/LTC2975 narusza to limit napięcia różnicowego, które jest ograniczone do ± 170 mV. Na szczęście LTC2971 i LTC2972 mają bit konfiguracyjny, który po ustawieniu: „IMON_SENSE” desygnuje obwody pomiaru prądu w tryb umożliwiający weryfikację napięć single-ended do 6 V.
Rys.8. Bit imon_sense MFR_CONFIG.
Polecenia konfiguracyjne muszą być ustawione zgodnie z wybranym sprzętem. W tym przykładzie: „IOUT_CAL_GAIN” powinno być określone jako 400 (0,4 V/A). Jednostki to miliomy. Inne polecenia związane z prądem mogą mieć parametry domyślne, jeśli nie ma znanego/ustalonego współczynnika temperaturowego lub termicznej stałej czasowej, które będą wpływać na wielkości READ_IOUT. Domyślne parametry: „MFR_IOUT_CAL_GAIN_TC”, „MFR_IOUT_CAL_GAIN_TAU_INV” i: „MFR_IOUT_CAL_GAIN_THETA” są ustawione na zero.
IMON stabilizatora buck LT7101 jest przykładem pinu z wyjściem napięciowym. Na wyjściu występuje również napięcie niezrównoważenia. Oznacza to, że w warunkach bez obciążenia pin IMON znajduje się na poziomie 0,4 V. Na początku może się to wydawać problematyczne, ponieważ granica napięcia różnicowego wynosi ± 170 mV. Jednak urządzenia LTC2972/LTC2971 PSM mogą wykryć ten typ pinu IMON. A tym samym umożliwić znacznie większy sygnał różnicowy na pinach ISENSE. Przeanalizujmy rzeczywisty przykład tego rodzaju aplikacji.
Rys.9. Wykorzystanie pinu IMON w układzie LT710.
LTC2971/LTC2972 mogą być podłączone do LT7101, korzystając w LTC297x z pinu ISENSEM podpiętego do masy i ISENSEP dołączonego do wyjścia IMON. Wartości dla poszczególnych komend w systemie wyznaczone mogą być w następujący sposób. Należy zacząć od równania 3 na READ_IOUT.
$$READ\_IOUT = \frac {V_{IOUT\_SNSP} - {V_{IOUT\_SNSM}}} {IOUT\_CAL\_GAIN \times T_{CORRECTION}} + IOUT\_CAL\_OFFSET \qquad (3)$$
Co można przepisać, rozwiązując to równanie dla IOUT_CAL_GAIN:
$$IOUT\_CAL\_GAIN = \frac {V_{IOUT\_SNSP} - {V_{IOUT\_SNSP}}} {READ\_IOUT - IOUT\_CAL\_OFFSET} \qquad (4)$$
zakładając, że Tcorrection =1.
Karta katalogowa LT7101 podaje dane dla wyjścia IMON dla prądu 1 A oraz 0.25 A, odpowiednio 1,21 V i 0,603 V. Stąd wiemy, że wartość IOUT_CAL_GAIN wynosi:
$$\frac {1,21 V - 0,603 V} {1 A - 0,25 A} = 810 m\Omega \qquad (5) $$
IOUT_CAL_OFFSET równy jest zatem:
$$(\frac {0.603 V} {0,81 \Omega}) - 0,25 A = -0,494 A \qquad (6) $$
IOUT_CAL_OFFSET jest wielkością ujemną, ponieważ musimy zmniejszyć READ_IOUT. Może się okazać, że obliczone wartości rejestru muszą zostać zmienione, aby lepiej skorelować zmierzony prąd obciążenia z odczytami READ_IOUT. Wiąże się to z dodaniem kroku kalibracji. W takiej sytuacji trzeba wymusić znany prąd obciążenia, porównać READ_IOUT z wartością oczekiwaną i zapisać skorygowaną wielkość do: „IOUT_CAL_GAIN” i/lub: „IOUT_CAL_OFFSET”. Ogólnie dokładność IMON w wielu stabilizatorach nie jest tak wysoka, jak przy wykorzystaniu rezystora czujnikowego do mierzenia prądu, ale kalibracja znacznie poprawi precyzję.
Precyzja
Pomiar prądu jest tak akuratny, jak suma jego części. W większości systemów dokładność jest ważna w średnim i górnym zakresie prądu obciążenia. Niektóre wymagają precyzyjności w warunkach niewielkiego obciążenia, co oznacza, że sygnał w łańcuchu wykrywania jest bardzo mały. Można podzielić części dotyczące dokładności na cztery kategorie: element czujnika, układ płytki, wzmacniacz i obwód pomiarowy sensora.
Zanim bardziej szczegółowo omówimy dokładność należy zdefiniować termin TUE. Całkowity nieskorygowany błąd lub TUE jest specyfikacją wymienioną w każdej karcie katalogowej elementów z rodziny LTC297x. Istnieją specyfikacje dla weryfikowania napięcia i prądu. TUE jest łącznym błędem spowodowanym wewnętrznymi nieprawidłowościami odniesienia, wzmocnienia i offsetu urządzenia PSM w buforach i wzmacniaczach na ścieżce od pinów VSENSE lub ISENSE do cyfrowej części układu. Jest to najgorszy przypadek błędu zapisany jako procent odczytu READ_IOUT lub READ_VOUT dla wszystkich zmian procesu i temperatury. Usuwa to ciężar obliczania poszczególnych wkładów z chipa, takich jak błędy VREF i ADC. Komponenty zewnętrzne — CSA i powiązane z nimi rezystory, w tym bocznikowe, rezystancja stałoprądowa cewki, prąd IMON — przyczyniają się do własnego błędu i muszą być uwzględnione w ogólnym budżecie nieprawidłowości.
Jak wspomniano wcześniej, najlepszą dokładność zapewnia rezystancyjny element czujnikowy umieszczony na ścieżce wyjściowej. Tolerancja RSENSE jest powszechnie określana jako 1%. Są to niedrogie i łatwe do znalezienia elementy. Wielkości zwykle wahają się od 0,5 mΩ do kilkudziesięciu mΩ. Aby określić wartość należy wziąć pod uwagę aktualną rozpiętość prądów i pożądaną dokładność na każdym końcu zakresu. Gdy prąd przepływa przez RSENSE na elemencie odkłada się małe napięcie delta V. To właśnie ten sygnał trzeba zmierzyć i przekształcić zgodnie z prawem Ohma w prąd. Chciałoby się uzyskać wystarczająco duży dla dobrej dokładności w warunkach lekkiego obciążenia. Jednak spory spadek I * R, jaki wystąpi przy niemałych obciążeniach może mieć negatywny wpływ na jakość napięcia zasilania i jego stabilizację. Zakładamy, że sprzężenie zwrotne stabilizatora jest pobierane z samego obciążenia, tak że punkty pomiarowe są połączone w poprzek. Odpowiada to za uwzględnienie każdej obniżki napięcia na ścieżce wyjściowej, zarówno po stronie wysokiej, jak i w torze powrotnym (GND). RSENSE w takiej sytuacji znajduje się wewnątrz pętli sprzężenia zwrotnego stabilizatora. Niestety nie kompensuje to mankamentów związanych ze zmniejszeniem sprawności energetycznej systemu i problemami z nadmiarowym ciepłem, jakie wytwarzane jest na oporniku pomiarowym.
Poniżej znajduje się przykład, który obejmuje analizę akuratności. Załóżmy, że zasilacz zapewnia maksymalnie 10 A i potrzebna jest dobra dokładność do 100 mA. Przy pełnym obciążeniu zaleca się, aby spadek I * R wynosił poniżej 50 mV. Jeśli rezystor pomiarowy jest umieszczony w pętli sprzężenia zwrotnego, można sobie pozwolić na wytworzenie większego napięcia. Wadą dużego sygnału jest strata mocy na elemencie czujnika. Jest to podstawowy kompromis przy wyborze wartości rezystora. Wielkość RSENSE jest obliczana na podstawie pomiaru napięcia przy pełnym obciążeniu prądu — w tym przykładzie 50 mV/10 A daje 5 mΩ. Zakładając, że wybrany został rezystor o sensownej 5 mΩ, który ma tolerancję 1%.
Osiągnięta dokładność wyniesie 1% (tolerancja rezystora) + 0,3% (TUE z arkusza danych) — łącznie 1,3% dla napięć wejściowych LTC2972/LTC2974/LTC2975 powyżej 20 mV, co przekłada się na prądy obciążenia większe niż 4 A. Dla poziomów poniżej 20 mV, TUE jest określone jako ±60 µV. Dla prądu obciążenia 100 mA wytwarzany sygnał wynosi 0,1 A × 0,005 Ω lub 500 µV. Błąd staje się znacznie większy w warunkach lekkiego obciążenia, osiągając nawet ±12% (60 µV/500 µV), które jest zdominowane przez TUE, a tolerancja rezystora ma niewielki wpływ na dokładność. W wartościach bezwzględnych jest to tylko ± 12 mA błędu. TUE uwzględnia wewnętrzne odniesienia i nieprawidłowości ADC. Wybór rezystora o mniejszej tolerancji zapewnia znacznie lepszą precyzję.
Powyższa dyskusja dotyczy większości linii LTC297x dla szyn zasilających < 6 V, gdzie piny ISENSE układów LTC2972/LTC2974/LTC2975 można podłączyć bezpośrednio w poprzek elementu czujnikowego, unikając konieczności stosowania zewnętrznego wzmacniacza. Jeśli szyna zasilająca ma > 6 V, układ taki jest niezbędny dla większości rodziny menedżerów zasilania. Wyjątkiem jest LTC2971, który umożliwia bezpośrednie podłączenie pinów ISENSE do ± 60 V. TUE LTC2971 stanowi 0,6% — dwukrotnie więcej niż dla LTC2972/LTC2974/LTC2975; jednak piny IOUT_SNS mogą być podłączone bezpośrednio do rezystorów czujnikowych o napięciu zasilania do ± 60 V.
W przypadku stosowania miernika LTC2977/LTC2979/LTC2980/LTM2987 do badania prądu wyjściowego przy napięciu zasilania > 6 V możliwe jest użycie wyjścia typu single-ended CSA do sterowania pinami VSENSE. Można wykorzystać dowolny kanał, a bit adc_hires powinien pozostać na swoim domyślnym ustawieniu równym 0. Pomiar prądu wyjściowego jest odczytywany z rejestru READ_VOUT i musi zostać przeliczony z woltów na ampery. Ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że większy zakres dynamiki występuje na VSENSE niż ograniczenie 170 mV na pinach ISENSE LTC2974/LTC2975. Pozwala to na ustawienie wyższego wzmocnienia wzmacniacza sygnału, aby wygenerować większe napięcie pomiarowe, ponieważ pin VSENSEP może być wysterowany do 6 V. Parametrem, który należy wziąć pod uwagę, jest napięcie niezrównoważenia wejściowego wzmacniacza pomiarowego VOS. To VOS, które jest mnożone przez wzmocnienie definiuje błąd wyjścia CSA. Jeśli VOS stanowi 85 µV (LTC6101), a wzmocnienie ustawione jest na 100, błąd wyjścia może mieć nawet 8,5 mV. TUE pinów VSENSE < 1 V stanowi 2,5 mV, a > 1 V wynosi 0,25% wartości. Wzmocnienie CSA powinno być na niskim poziomie, ale na tyle duże, aby wykorzystać możliwie spory zakres sygnału pinu VSENSE. Nieprawidłowość wniesiona przez CSA jest stałym błędem mV dla danego ustawienia wzmocnienia. Niepoprawność w przetłumaczonej wielkości prądu wyjściowego jest pokazana w ostatniej kolumnie. Tabela 3 ilustruje przykład. RSENSE wynosi 5 mΩ.
Tabela 3. Obliczenia dokładności LTC2977/LTC2979/LTC2980/LTM2987 dla adc_hires = 0 z zewnętrznym CSA
Pokazuje to, że zewnętrzne wzmacniacze zapewniają dość dobrą dokładność dla napięć o dużej amplitudzie, ale wprowadzają więcej błędów w warunkach niskiego poziomu wykrywalności.
Dokładne zbadanie prądu jest możliwe dzięki wytworzeniu wystarczającego napięcia lub sygnału pomiarowego. To delta V z elementu pomiarowego musi być dostatecznie duża, aby przezwyciężyć wszelkie szumy i nieprawidłowości, które są wprowadzane przez układ i inne źródła. Należy oszacować stosunek sygnału do szumu (SNR), decydując najpierw, jak ważna jest w systemie precyzja dla lekkiego obciążenia. Optymalną wartość można obliczyć, biorąc pod uwagę najniższe napięcie pomiarowe, które daje akceptowalną dokładność, podzielone przez minimalną wielkość prądu w mierzonym zakresie.
Aby osiągnąć najwyższą akuratność najlepiej jest stworzyć największy sygnał i zminimalizować błędy komponentów/układu. Oznacza to, że należy wykorzystać dużą wartość rezystora RSENSE i użyć takich o niskiej tolerancji. Można również rozważyć kalibrację bieżącej wielkości odczytu w układzie. W danym procesie podaje się znany prąd obciążenia i obserwuje wartość READ_IOUT, dostosowując IOUT_CAL_GAIN, aby zminimalizować błąd w wielkości odczytu. Należy zapisać wszelkie zmienione wartości w pamięci EEPROM układu, wydając polecenie: „STORE_USER_ALL”.
Precyzja pomiaru rezystora bocznikowego
Zaletą metody z rezystorem bocznikowym staje się to, że to sposób dokładniejszy od tego opartego o rezystancję stałoprądową cewki indukcyjnej, ponieważ wartość jest zwykle podawana z akuratnością do 1% lub lepszą. Współczynnik temperaturowy jest dość niski w porównaniu do cewki indukcyjnej. Jednak nawet jeśli można zakupić rezystory o bardzo wąskich tolerancjach, może to zostać zniweczone przez problemy z układem ścieżek czy lutowaniem.
Wadą metodyki rezystora bocznikowego jest to, że jest ona stratna z powodu redukcji napięcia na oporniku. Powoduje to wytwarzanie ciepła i zmniejszenie napięcia na wyjściu. Jak wspomniano wcześniej, spadek I*R jest w dużej mierze łagodzony przez umieszczenie rezystora czujnika wewnątrz pętli sprzężenia zwrotnego, co pozwala pętli stabilizatora na zniwelowanie obniżonego napięcia do pomijalnego poziomu.
Rezystory Rcm muszą mieć tę samą wartość ze względu na różnicowy prąd wejściowy LTC297x, który spowoduje błąd różnicowy napięcia. Niedopasowane rezystory Rcm wprowadzają nieprawidłowość wyłącznie z powodu tolerancji elementów filtra. Generalnie należy utrzymywać ich wielkości na poziomie poniżej 1 kΩ.
Rys. 10. Prąd pinów ISENSE.
Układ
Niezależnie od tego, czy chcemy użyć rezystora z czujnikiem dyskretnym, czy cewki indukcyjnej do zweryfikowania prądu, układ staje się ważny w warunkach dużego obciążenia. Ma to największy potencjał redukcji I*R w połączeniu lutowanym, a w tych pomiarowych mogą mieć dodatkowy wpływ. Najlepiej jest unikać tych drugich w kombinacji z polem lutowniczym zawierających spadek napięcia między punktami pomiarowymi. Jeśli porównamy układy na rysunku 11, przykład pokazujący połączenia z wnętrzem padów będzie miał niewielki lub żaden ubytek I * R, ponieważ te obszary pola lutowniczego doświadczają niedużego przepływu prądu bądź nie ma go wcale. Układ oznaczony jako: „dostateczny” cierpi na obniżki napięcia ze względu na położenie punktu pomiarowego (bok pada), który częściowo znajduje się na bieżącej ścieżce.
Rys. 11. Propozycje rozmieszczenia rezystorów bocznikowych.
Na rynku dostępne są również 4-pinowe rezystory pomiarowe. Oferują one dwa piny dla głównego toru prądowego i dwa mniejsze dla połączeń czujnika w topologii Kelvina. Do zastosowań wymagających dobrej dokładności dla prądów większych niż około 20 A dostępne są 4-pinowe rezystory wykrywające, wykonane ze stopów metali o wielkościach rezystancji do 100 µΩ. Niektórzy producenci podają rezystory o wyższej wartości z węższą tolerancją niż te o niskiej, więc trzeba pójść tutaj na jakiś podstawowy kompromis — użycie 1 mΩ przy 0,1% lub 400 µΩ przy 0,5%.
Rys.12. Rezystor bocznikowy z 4 wyprowadzeniami.
Więcej informacji na temat akuratności podczas rozmieszczania rezystorów wykrywających można znaleźć w rozdziale: „Optymalizacja dokładności pomiaru wysokich prądów poprzez poprawę układu niskowartościowych rezystorów bocznikowych”.
Używanie LTC2977/LTC2979/LTC2980/LTM2987 do mierzenia prądu wyjściowego
Układy LTC2977/LTC2979/LTC2980/LTM2987 mają ograniczone możliwości pomiaru prądu. Można je skonfigurować na nieparzystych kanałach: 1, 3, 5 i 7. Przy czym muszą one być ustawione na tryb wysokiej rozdzielczości (MFR_CONFIG_LTC2977, bit9). Umożliwia to powiązanie pinu VSENSEM z napięciem w trybie wspólnym do 6 V. Piny VSENSEP i VSENSEM mogą być połączone przez cewkę indukcyjną lub element rezystancyjny.
Rys.13. Bit MFR_CONFIG adc_hires.
Kanały o parzystych numerach nie obsługują tej funkcji, a pin VSENSEM (kanały 0, 2, 4 i 6) musi pozostać w zakresie ± 100 mV względem GND.
W tym trybie jedyną funkcją, jaką zapewnia ten kanał, jest odczyt telemetryczny prądu. Ustawienie bitu adc_hires wyłącza pin VOUT_EN i wszystkie reakcje na błędy. Zasadniczo wymusza to kanał do przejścia w stan: „wyłączenia” w przypadku LTC2977 i odczytuje tylko napięcie w mV na elemencie czujnikowym.
Układy LTC2977/LTC2979/LTC2980/LTM2987 nie mają wygodnego rejestru READ_IOUT ani takowego do przechowywania wartości rezystancji elementu pomiarowego. Zamiast tego używa się polecenia: „READ_VOUT”, aby uzyskać surowe wyniki napięcia różnicowego. Host systemu musi obliczyć prąd na podstawie tego odczytu podzielonego przez wielkość rezystancji czujnika. Należy pamiętać o tym, że wartości są podawane w formacie L11, a nie w L16. Jednostki to miliwolty. Jeśli do odczytu prądu używany jest host systemu lub układ FPGA/CPU, musi on wykonać obliczenia matematyczne, aby przekonwertować wartość w miliwoltach na taką w miliamperach bądź amperach. Nota aplikacyjna AN135 obejmuje przykładowy kod konwersji heksadecymalnej L11 na wielkość zmiennoprzecinkową.
Rys.14. Piny VSENSE używane do pomiaru prądu różnicowego.
Program LTpowerPlay wyposażony jest w funkcję, która wygodnie tłumaczy odczyt w mV na aktualną wartość w mA. Istnieje współczynnik skali, który może być użyty do wygenerowania skorygowanej wielkości w rejestrze READ_VOUT. Dostęp do tego uzyskuje się, klikając zakładkę: „Ustawienia” w oknie: „Konfiguracji”.
Wielkość wprowadzona w polu skalowania wyświetlania VOUT powinna być równa 1/RSNS. Jeśli używany jest zewnętrzny wzmacniacz należy ustawić współczynnik skalowania na 1/(GAINCSA/RSNS). Istnieje w systemie pole jednostek wyświetlacza, które można przekształcić z woltów na ampery, zastępując V na A. Te zmiany umożliwiają wyświetlanie obliczonego prądu zgodnego z rzeczywistym na podstawie zmierzonej rezystancji w obwodzie. Na przykład, jeśli RSNS wynosi 10 mΩ (0,01 Ω), skalowanie wyświetlacza VOUT stanowi 100. Rejestr READ_VOUT będzie teraz zgłaszał wartość w mA, która odzwierciedla 100 mA dla każdego mV mierzonego przez układ. W tym przykładzie do szyny zasilającej z RSNS 10 mΩ przyłożono obciążenie 592 mA, a układ mierzył 5,92 mV. Uwaga: wielkości skalowania/przesunięcia w Instalatorze nie są zapisywane w NVM urządzenia, a w pliku .proj.
Rys.15. Skalowanie wyświetlacza VOUT w zakładce: „Ustawienia”.
Rys.16. Telemetria READ_VOUT pokazuje przeskalowaną wartość i jednostki w mA.
Ponieważ napięcie różnicowe (VSENSEPn — VSENSEMn) jest ograniczone do ± 170 mV, element pomiarowy musi być tak dobrany, aby spadek I * R nie przekroczył tego limitu. Napięcie w trybie wspólnym tych pinów nie może wyjść poza 6 V. Na przykład, jeśli oczekuje się, że prąd będzie w zakresie 3 A, rezystor pomiarowy o wartości 50 mΩ dostarcza 150 mV napięcia do ADC i pozwala na skoki do 3,4 A. To świetne dla dokładności, ponieważ dostępny jest duży sygnał, ale 150 mV to dość spora redukcja I * R na ścieżce zasilania. Jest to miejsce na kluczowy kompromis, którego należy dokonać przy podejmowaniu decyzji między dokładnością pomiaru prądu a poziomem spadku napięcia na wyjściu. Należy zawsze zamknąć pętlę sprzężenia zwrotnego przy samym obciążeniu. Pozwala to na dostosowanie napięcia wyjściowego stabilizatora. Więcej informacji można znaleźć w arkuszu danych układu LTC2977.
Na przykład jeden z nieparzystych kanałów został przydzielony do oszacowania prądu wyjściowego. Kanał 7 mierzy IOUT kanału 6 przy zasilaniu 3,0 V.
Rys.17. READ_VOUT po zmianie jednostek na mA (kanał 7).
Gdy kanały nieparzyste są skonfigurowane do pracy w trybie wysokiej rozdzielczości ADC, pin VOUT_EN nie może być używany, a funkcja nadzorcy jest wyłączona; dlatego też nie ma możliwości szybkiego wykrycia przetężenia. Możliwe jest jednak monitorowanie prądu na dowolnym kanale (w trybie niskiej rozdzielczości ADC), jeśli wykorzystany zostanie zewnętrzny wzmacniacz i wysyłany będzie sygnał single-ended do pinu VSENSEP. Dedykuje to kanał napięciowy do nadzorowania wyjścia wzmacniacza pomiarowego. Opóźnienie propagacji będzie określone przez sumę przesunięć czasowych przez ten wzmacniacz, te wprowadzone przez urządzenie PSM i wszelkie inne, za które mogą odpowiadać elementy pasywne (tj. te ze składowymi RC). Opóźnienie PSM zależy od konfiguracji, od tego, czy reakcja na błąd jest ustawiona na natychmiastowe wyłączenie, czy na odroczone, a także od założeń w liczniku opóźnień.
Nadzór nad awariami OC/UC
Ochrona obciążeń przed przetężeniem może być bardzo pożądana na szynach zasilających obciążenia o wysokiej wartości. Kontrolery prądu wyjściowego są wbudowane w LTC2974/LTC2975. Dedykowany sprzęt umożliwia użytkownikowi skonfigurowanie kanału do wyłączenia, jeśli nadzorca wychwyci stan nadprądowy lub niedoprądowy. Sprzęty te mają wbudowane funkcje kontrolne zarówno napięciowe, jak i prądowe, co oznacza, że kanał zostanie wyłączony, jeśli napięcie lub prąd wyjściowy przekroczą zdefiniowane przez użytkownika limity. Kontroler napięcia i prądu są wewnętrznie połączone w logikę kontrolującą VOUT_EN. Tabela 1 w części 1 tego artykułu podsumowuje tę opcję dla wszystkich menedżerów PSM.
Rys. 18. Limity błędów/ostrzeżeń IOUT OC/UC.
Kontrolery błędów to komparatory próbkujące, które mają próg zadziałania regulowany przez użytkownika. Komparator jest próbkowany co 12,1 µs i umożliwia usuwanie szumów wyjściowych w oparciu o ustawienia uprzednio zdefiniowane. Nadzorca wyłączy się tylko wtedy, gdy warunek błędu będzie obecny kilka razy z rzędu lub zadziała licznik delay_count. Jest to zasadniczo filtr oparty na czasie. Licznik delay_count można ustawić na wartość do 7, co zapewnia do 84 µs opóźnienia odpowiedzi na zdarzenie nadprądowe. Pozwala to na niereagowanie na krótkie usterki podczas deklarowania błędu dla szerszych impulsów. Wszelkie filtry RC, które są wstawiane między obciążeniem a menedżerem, dodają dodatkowe opóźnienie. Filtr zmniejsza amplitudę wszelkich usterek, ale dodaje przesunięcie czasowe do chwili odpowiedzi układu kontrolującego. Karta katalogowa sugeruje stałą czasową stanowiącą jedną dziesiątą częstotliwości przełączania, ale nie tak rozległą, aby opóźnienie zapewniane przez filtr było znacznie dłuższe niż okres reakcji układu. W przypadku niskoszumnych zasilaczy, które wymagają szybkiej odpowiedzi zabezpieczenia nadprądowego, można wybrać opóźnienie z filtrem 200 Ω/10 nF lub 2 µs. W odniesieniu do źródeł zaszumionych filtr RC 1 kΩ/0,1 µF daje przesunięcie czasowe 100 µs. Chociaż wydaje się to dużą wartością, trwa to szybciej niż odczyt z przetwornika ADC, co może zająć około 100 ms.
Nadzór zdarzeń podprądowych wychwyci stan niskiego lub wstecznego prądu na wyjściu. Niski prąd jest typowy dla lekkich obciążeń i awaria tego rodzaju może nie być konieczna do wykrywania. Jednak mierzona skala prądu wyjściowego zawiera również wielkości ujemne. Chociaż kontrola nad tego rodzaju usterkami nie jest zwykle stosowana, może być używana do rozpoznawania momentu pojawienia się prądu wstecznego poprzez przestawienie: „IOUT_UC_FAULT_LIMIT” na wielkość ujemną. Aby wyłączyć wyłapywanie błędów tego rodzaju należy ustawić: „IOUT_UC_FAULT_RESPONSE” na ignorowanie i: „IOUT_UC_FAULT_LIMIT” na dużą ujemną wartość. Domyślna konfiguracja to -1 A.
Chociaż LTC2971/LTC2972 nie są wyposażone w system wyłapywania błędów przetężenia, urządzenia mają funkcję alarmowania przed taką sytuacją, która obniża stan ALERTB w oparciu o pomiar prądu wyjściowego ADC. Ostrzeżenia obniżą poziom ALERTB i zaktualizują rejestr STATUS_IOUT. Odczyt oparty na ADC będzie skutkować wolniejszą odpowiedzią i ma być używany jako wskaźnik stanu poprzez pin sprzętowy i rejestr PMBus. Możliwe jest powiązanie ALERTB z pinem CONTROL w celu wyłączenia kanału. Mikrokontroler połączony z układem może odpowiedzieć na ALERTB, deklarując przerwanie i sterując pinem CONTROL lub wydać polecenie PMBus, aby zamknąć kanał. Wadą danej kombinacji jest to, że każde ostrzeżenie lub błąd spowoduje powyższy skutek.
W przypadku używania pinów TSENSE w LTC2971/LTC2972/LTC2974/LTC2975 do kompensacji zmiany rezystancji stałoprądowej cewki indukcyjnej temperatura może być używana do wyłączania kanałów, co jest inną formą nadzoru. Błąd przegrzania, limity ostrzegawcze i odpowiedź na nieprawidłowość można dostosować do aplikacji na zasadzie kanał po kanale. Oznacza to, że można go użyć do wyłączenia pojedynczego i nie jest ustawieniem globalnym (całym chipem).
Format odczytu prądu L11
Wartość szesnastkowa odczytywana z urządzenia PSM jest sformatowana jako L11. Niezależnie od tego, czy weryfikowany jest rejestr READ_VOUT na LTC2977 (tryb wysokiej rozdzielczości ADC), czy READ_IOUT na LTC2975/LTC2974/LTC2972/LTC2971, L11 to wielkość ze znakiem, która ma 5-bitowy wykładnik i 11-bitową mantysę.
L11 obsługuje polaryzację bieżącego pomiaru. Ponieważ jest to format ze znakiem umożliwia to rejestrom READ_IIN i READ_IOUT dostarczenie informacji do hosta systemu o kierunku bieżącego przepływu. LTC2974/LTC2975 mają podprądowe progi dla prądu wyjściowego. Wartość ujemna może być przydatna do zamknięcia kanału, w którym wykryto prąd wsteczny.
Należy zwrócić uwagę na szczególny punkt dotyczący L11, a jest nim wysoka dokładność. Arkusze danych LTC2971/LTC2972/LTC2974/LTC2975 zawierają tabelę, w której wymieniono szczegółowość READ_IOUT w szerokim zakresie prądów. Istnieje nieodłączna ziarnistość, która wynika z formatu szesnastkowego L11 i nie z ADC urządzenia ani nie jest żadnymi innymi ograniczeniami sprzętowymi. W tabeli wymieniono również szczegółowość MFR_READ_IOUT do porównania. Wartość MFR_READ_IOUT jest formatem niestandardowym i zapewnia lepszą rozdzielczość z ziarnistością 2,5 mA powyżej 2 A. Jest ona ograniczona do ± 81,92 A. Jeśli procesor główny/FPGA płyty musi przekonwertować L11 na postać zmiennoprzecinkową, może wysyłać odczyty do dowolnego rejestru. READ_IOUT ma lepszą rozdzielczość dla prądów poniżej 2 A i nie ma limitu wartości 81,92 A, ale MFR_READ_IOUT będą rozwiązywane do najbliższej wielkości 2,5 mA.
Programowanie urządzeń PSM i LTpowerPlay
Podobnie, jak w przypadku całej rodziny układów LTC297x, programowanie urządzenia PSM i skuteczne zasilanie sprzętu po raz pierwszy może być bardzo satysfakcjonujące. Korzystanie z LTpowerPlay to najłatwiejsza droga. LTpowerPlay można uzyskać bezpłatnie i działa w systemie Windows. Oprogramowanie posiada wbudowane narzędzie programistyczne, które pobiera zapisane dane konfiguracyjne i zatrzymuje je w pamięci EEPROM urządzenia. Po włączeniu zasilania układ automatycznie ładuje RAM z EEPROM i jest gotowy do samodzielnej pracy.
LTpowerPlay jest potężnym instrumentem, który pozwala konfigurować, projektować, oceniać, diagnozować i debugować systemy zasilania. Nie jest to jedyna opcja — alternatywnie do programowania lub dostarczania telemetrii można używać rozwiązania, jakie napisano dla tego systemu w Linduino C. Przykłady dostępne są do pobrania.
Rys.19. LTpowerPlay to potężne środowisko programistyczne oparte na Windowsie obsługujące produkty Digital Power System Management (PSM) firmy Analog Devices.
Jeśli korzystamy z LTpowerPlay po raz pierwszy warto skorzystać z listy kontrolnej do utworzenia pliku .proj:
1. Upewnij się, że każde urządzenie PSM ma unikalny adres w PMBus (dowiązanie sprzętowe).
2. Ustaw: „IOUT_CAL_GAIN” na każdym kanale wyjściowym.
3. Podaj wartość RSENSE, DCR cewki lub obliczoną wielkość IMON.
4. Ustaw: „IIN_CAL_GAIN” na każdym urządzeniu, które mierzy wejściowy prąd zasilania (LTC2971/LTC2972/LTC2975).
5. Ustaw konfigurację związaną z temperaturą (na przykład: „MFR_IOUT_CAL_GAIN_TC”, „MFR_IOUT_CAL_GAIN_TAU_INV”, „MFR_IOUT_CAL_GAIN_THETA”).
6. Ustaw: „IOUT_OC_FAULT_LIMIT” i: „IOUT_OC_FAULT_RESPONSE” (LTC2974/LTC2975).
7. Ustaw: „IOUT_UC_FAULT_LIMIT” i: „IOUT_UC_FAULT_RESPONSE” (LTC2974/LTC2975).
Wskazówka: Użyj Kreatora konfiguracji w LTpowerPlay, aby ułatwić generowanie plików.
Podsumowanie
Układy LTC297x firmy ADI to scalone systemy PMBus do analizy sygnałów mieszanych, które mogą mierzyć i nadzorować prądy zasilania. Przedstawiono różne metody weryfikacji — wśród nich bocznik rezystorowy, cewka indukcyjna DCR i IMON. Obecne możliwości pomiarowe uzupełniają zestaw funkcji rodziny, gwarantując kolejny poziom ochrony w postaci wglądu w przypadku awarii OC/UC. Układy te zapewniają każdemu zasilaczowi możliwość monitorowania, kontrolowania i mierzenia napięć i prądów zasilania. Cechy te są bardzo pożądane w przypadku szyn zasilających o dużej istotności w systemie. LTC297x oferuje możliwość konfiguracji rejestrów PMBus urządzenia, co zwiększa elastyczność w zakresie wprowadzania zmian w koncepcie w dowolnym momencie fazy projektowania, nawet po wdrożeniu płyty w docelowej aplikacji.
Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/current-sensing-with-pmbus-digital-power-system-managers-part-2.html
Poza granicami
Układy z serii LTC297x mają limity dotyczące napięcia przyłożonego do pinów czujnika, zarówno VSENSE, jak i ISENSE. Margines ten wynosi 6 V. Jest tak w przypadku większości z poniższych układów z rodziny LTC297x, a jedyny wyjątek stanowi LTC2971, który ma ograniczenia do ±60 V. Dla szyn zasilających, które pracują z napięciem większym niż 6 V lub dla ujemnego napięcia zasilania, należy opracować pośrednią metodę na cewce indukcyjnej bądź rezystorze pomiarowym.
Dzielnik rezystorowy
W przypadku napięć zasilania wyższych niż maksymalne znamionowe pinów ISENSE można pokusić się o zastosowanie dwóch dzielników. Wydaje się to rozsądnym pomysłem, dopóki nie policzy się błędu podzielonego sygnału. Po każdej stronie elementu czujnikowego znajduje się dzielnik napięcia. Wyjście jest pobierane z każdego z nich i podawane do pinów układu LTC297x. Jeśli proporcje rezystorów od góry do dołu są zgodne, cel, jakim jest dokładny pomiar prądu sygnałów WN zostaje osiągnięty. Napięcie zasilania jest dzielone na tyle, aby utrzymać wejścia LTC297x w ich granicach. A zmniejszone wyjście wytwarza proporcjonalne napięcie, które może być mierzone przez LTC297x. Jednak wymagana tolerancja rezystora sprawia, że takie podejście jest wysoce niepraktyczne. Co więcej, im bardziej dzielone jest napięcie, tym większa będzie nieprawidłowość. Na przykład, jeśli tylko jeden z rezystorów ma błąd 0,1%, wynikiem jest zauważalna niepoprawność offsetu. Błąd wzmocnienia wnosi bardzo mało, a w systemie dominuje ten chwilę temu wymieniony.
Załóżmy na przykład, że musimy zmierzyć prąd wyjściowy zasilacza 12 V. Zasilanie wynosi 2 A, a w torze wyjściowym umieszczony jest rezystor bocznikowy 10 mΩ (RSNS). Bocznik wygeneruje sygnał 20 mV przy pełnym obciążeniu. Obwód dzielenia przez 3 jest właściwym wyborem, a rezystory górny i dolny są dobierane odpowiednio na 2 kΩ i 1 kΩ. To ustawia napięcie w trybie wspólnym pinów ISENSE na 4 V. Zastosowanie relatywnie niskich wartości służy utrzymaniu niewielkiej impedancji źródła w celu zmniejszenia błędów indukowanych prądem upływu z równoważnej rezystancji Thevenina dzielnika.
Rys.1. Dzielnik oporowy do pomiaru prądu powoduje duży błąd.
Załóżmy stan bez obciążenia, a wszystkie rezystory jako idealne. Każdy punkt środkowy dzielnika będzie miał napięcie 4,00 V, a delta V wyniesie zero. Dlatego LTC297x będzie odczytywało wartość READ_IOUT jako 0.000 A. Jednakże, jeśli rezystancja jednego z komponentów 2 kΩ jest wyższa o 0,1% (2002 Ω), delta V będzie stanowić 2,665 mV. Pamiętaj jednak, że pełna skala to 20 mV podzielone na 3, czyli 6,667 mV, co widać po pinach ISENSE. Odczyt 2,665 mV przekłada się na prąd wyjściowy 0,4 A. To 20% oczekiwanego odczytu pełnej skali! Jak wspomniano wcześniej, wprowadzona nieprawidłowość jest błędem offsetu, a nie wzmocnienia. Jest to jednak bardzo duża niepoprawność. Takie podejście jest zbyt wrażliwe na tolerancję rezystora i trzeba poszukać innej, lepszej metody.
Wzmacniacz pracujący po stronie wysokiej
Ponieważ układy LTC2972/LTC2974/LTC2975 mają ograniczenie do 6 V na pinach ISENSE, rozwiązaniem tego problemu jest użycie wzmacniacza z pomiarem prądu (CSA) do translacji poziomu. LT6100/LTC6101 są popularne w tej aplikacji ze względu na stałe, konfigurowalne przez użytkownika wzmocnienie. Dokładność jest znacznie lepsza niż w przypadku rezystorów dzielnika.
Rys.2. Wzmacniacz z pomiarem prądu używany jako translator poziomu.
Oto odpowiednie równania i warunki:
$$V_{OUT} = I_{LOAD} \times RSNS \times (\frac {R_2} {R_1} \qquad (1)$$
Zakładając $$IOUT\_CAL\_GAIN = RSNS \times \frac {R_2} {R_1} $$ Utrzymuj VISENSEP < ±170 mV.
LTC2971 do pomiaru prądu na szynach wysokiego napięcia
W przypadku szyn wysokiego napięcia należy wykorzystać układ LTC2971 (2-kanałowy DPSM) do bezpośredniego mierzenia prądu i napięcia z sygnałami do 60 V. LTC2971 jest dostępny w czterech różnych opcjach. LTC2971-1 obsługuje pomiar 60 V na jednym kanale i –60 V na drugim. LTC2971-2 wspiera -60 V na obu, a opcja LTC2971-3 obsługuje napięcia 60 V i 1,8 V. LTC2971 wspiera wskazania 60 V na obu kanałach. Bezpośrednie połączenie z pinami IOUT_SNS pozwala uniknąć zewnętrznych dzielników, które zwiększają koszty, miejsce zajmowane na płytce i wprowadzają błędy. Dokładność pomiaru prądu LTC2971 wynosi 0,6% odczytu READ_IOUT.
Tabela 1. Opcje LTC2971.
| Układ | CH0 | CH1 |
| LTC2971 | 0 V do 60 V | 0 V do 60 V |
| LTC2971-1 | 0 V do 60 V | 0 V do –60 V |
| LTC2971-2 | 0 V do –60 V | 0 V do –60 V |
| LTC2971-3 | 0 V do 60 V | 0 V do 1.8 V |
Pomiar prądu po niskiej stronie
W niektórych przypadkach lepszą opcją może być mierzenie prądu w obrębie masy. Rezystor pomiarowy uda się umieścić po niskonapięciowej stronie obciążenia. Podczas gdy piny ISENSE można podłączyć do tego rezystora. Dzięki temu piny ISENSE mierzą napięcie współbieżne będące w pobliżu GND. W przypadku napięć zasilania większych niż 6 V może to dobrze pasować do danej aplikacji. Jest to korzystne rozwiązanie na praktycznie każdej szynie zasilającej, w tym tych wysokiego napięcia. Wybór wartości RSENSE jest kompromisem między uzyskaniem wystarczająco dużego sygnału dla dobrej dokładności a dostatecznie niską rezystancją, która nie przyczyni się do znaczącego spadku napięcia na elemencie pomiarowym, powodując obniżenie napięcia wyjściowego widzianego przez monitorowane obciążenie. Co przekłada się na pogorszenie stabilności napięcia zasilającego układ. Rysunek 3 przedstawia rezystory sprzężenia zwrotnego i połączenia czujnika w topologii Kelvina dla VSENSE. Topologia Kelvina to termin używany do opisania połączeń wykonanych z elementem sensora, które eliminują wpływ spadków napięcia na przewodach pomiarowych w relacji do wyniku.
Należy zadbać o ustalenie ścieżki prądu powrotnego dla rezystora pomiarowego. Multum płytek o wysokiej gęstości upakowania elementów jest zaprojektowanych z wieloma warstwami masy, co pozwala na przepływ prądu powrotnego kilkoma ścieżkami. Zastosowanie rezystora bocznikowego daje możliwość wymuszenia prądu powrotnego przez konkrety komponent, umożliwiając w ten sposób podłączenia w topologii Kelvina tego elementu do pinów ISENSE układu pomiarowego.
Rys.3. Badanie prądu po stronie niskiego napięcia rozwiązuje problemy z pojawianiem się wysokiego na wejściu układu pomiarowego, ale również ma swoje wady.[/center]
Pomiar prądu w liniach zasilania ujemnego
Istnieje kilka różnych sposobów monitorowania prądu wyjściowego w liniach ujemnego zasilania. Najprostszym rozwiązaniem jest użycie układu dedykowanego do tego celu — wzmacniacza różnicowego, takiego jak LTC6105. Rysunek 4 pokazuje wejścia połączone w bocznik, a wzmacniacz różnicowy jest napędzany z VDD33 PSM i ujemnej szyny napięcia zasilania. Wyjście tego wzmacniacza to sygnał typu single-ended, który można podłączyć do pinów ISENSE lub VSENSE PSM.
Jeśli wzmacniacz różnicowy jest podpięty do pinów ISENSE należy ustawić: „IOUT_CAL_GAIN” na RSNS × GAINCSA. Na przykład, jeśli rezystancja bocznika wynosi 10 mΩ, a wzmocnienie CSA stanowi 10, trzeba określić IOUT_CAL_GAIN jako 100. Mówimy tu o jednostkach w miliomach.
Rys.4. Mierzenie prądu ze wzmacniaczem różnicowym LTC6105.
Wykorzystanie LTC2971-1 lub LTC2971-2 jest najprostszym rozwiązaniem do monitorowania prądu w liniach ujemnego zasilania. Są to układy dwukanałowe, a oba kanały pomiarowe LTC2971-2 mogą natywnie mierzyć prądy na liniach zasilania do -60 V. LTC2971-1 ma taką możliwość tylko na pierwszym.
Rys.5. Pomiar prądu na linii zasilania ujemnego bez wykorzystania dodatkowych elementów.
Uwaga! Wejście READ_VOUT układu LTC2971 jest zapisywane jako L16 i nie posiada znaku. Wielkość wyświetlana w GUI dla ujemnej jest po prostu odwracana programowo.
Rys. 6. Karta konfiguracji LTpowerPlay dla kanału 1 LTC2971-1 i obu kanałów LTC2971-2.
Przykłady wykorzystania IMON
Sterowane prądem piny IMON pozwalają użytkownikowi wybrać wartość rezystora, która desygnuje wzmocnienie pomiaru i maksymalne napięcie. Urządzenie PSM mierzy różnicę napięć między pinami ISENSEP i ISENSEM, a wzmocnienie należy ustawić za pomocą rejestru MFR_IOUT_CAL_GAIN, co jest podobne do weryfikacji za pomocą bocznika.
Stabilizator LDO LT3081 posiada pin IMON, który można wykorzystać jako przykład działania tego rozwiązania. IMON LT3081 to prąd obciążenia podzielony przez 5000. Załóżmy, że używany jest rezystor 2 kΩ. Napięcie pinu IMON na amper wynosi zatem:
$$V_{IMON} = (\frac {I_{LOAD}} {5000}) \times 2000 \Omega = 0,4 \frac{V}{A} \qquad (2) $$
Rys.7. Korzystanie z pinu LT3081 IMON.
Jeśli prąd obciążenia stanowi 2 A, napięcie IMON wyniesie w takiej sytuacji 0,8 V. Z tego równania jasno wynika, że zmieniając napięcie IMON można zwiększyć czułość pomiaru prądu obciążenia, zwielokrotniając po prostu wartość rezystora IMON. Jeśli tak zrobimy, maksymalne napięcie (pełne obciążenie) może równie dobrze wynosić ponad 1 V. Piny ISENSE urządzenia PSM muszą dostosować się do tak dużego skoku. W przypadku LTC2974/LTC2975 narusza to limit napięcia różnicowego, które jest ograniczone do ± 170 mV. Na szczęście LTC2971 i LTC2972 mają bit konfiguracyjny, który po ustawieniu: „IMON_SENSE” desygnuje obwody pomiaru prądu w tryb umożliwiający weryfikację napięć single-ended do 6 V.
Rys.8. Bit imon_sense MFR_CONFIG.
Polecenia konfiguracyjne muszą być ustawione zgodnie z wybranym sprzętem. W tym przykładzie: „IOUT_CAL_GAIN” powinno być określone jako 400 (0,4 V/A). Jednostki to miliomy. Inne polecenia związane z prądem mogą mieć parametry domyślne, jeśli nie ma znanego/ustalonego współczynnika temperaturowego lub termicznej stałej czasowej, które będą wpływać na wielkości READ_IOUT. Domyślne parametry: „MFR_IOUT_CAL_GAIN_TC”, „MFR_IOUT_CAL_GAIN_TAU_INV” i: „MFR_IOUT_CAL_GAIN_THETA” są ustawione na zero.
IMON stabilizatora buck LT7101 jest przykładem pinu z wyjściem napięciowym. Na wyjściu występuje również napięcie niezrównoważenia. Oznacza to, że w warunkach bez obciążenia pin IMON znajduje się na poziomie 0,4 V. Na początku może się to wydawać problematyczne, ponieważ granica napięcia różnicowego wynosi ± 170 mV. Jednak urządzenia LTC2972/LTC2971 PSM mogą wykryć ten typ pinu IMON. A tym samym umożliwić znacznie większy sygnał różnicowy na pinach ISENSE. Przeanalizujmy rzeczywisty przykład tego rodzaju aplikacji.
Rys.9. Wykorzystanie pinu IMON w układzie LT710.
LTC2971/LTC2972 mogą być podłączone do LT7101, korzystając w LTC297x z pinu ISENSEM podpiętego do masy i ISENSEP dołączonego do wyjścia IMON. Wartości dla poszczególnych komend w systemie wyznaczone mogą być w następujący sposób. Należy zacząć od równania 3 na READ_IOUT.
$$READ\_IOUT = \frac {V_{IOUT\_SNSP} - {V_{IOUT\_SNSM}}} {IOUT\_CAL\_GAIN \times T_{CORRECTION}} + IOUT\_CAL\_OFFSET \qquad (3)$$
Co można przepisać, rozwiązując to równanie dla IOUT_CAL_GAIN:
$$IOUT\_CAL\_GAIN = \frac {V_{IOUT\_SNSP} - {V_{IOUT\_SNSP}}} {READ\_IOUT - IOUT\_CAL\_OFFSET} \qquad (4)$$
zakładając, że Tcorrection =1.
Karta katalogowa LT7101 podaje dane dla wyjścia IMON dla prądu 1 A oraz 0.25 A, odpowiednio 1,21 V i 0,603 V. Stąd wiemy, że wartość IOUT_CAL_GAIN wynosi:
$$\frac {1,21 V - 0,603 V} {1 A - 0,25 A} = 810 m\Omega \qquad (5) $$
IOUT_CAL_OFFSET równy jest zatem:
$$(\frac {0.603 V} {0,81 \Omega}) - 0,25 A = -0,494 A \qquad (6) $$
IOUT_CAL_OFFSET jest wielkością ujemną, ponieważ musimy zmniejszyć READ_IOUT. Może się okazać, że obliczone wartości rejestru muszą zostać zmienione, aby lepiej skorelować zmierzony prąd obciążenia z odczytami READ_IOUT. Wiąże się to z dodaniem kroku kalibracji. W takiej sytuacji trzeba wymusić znany prąd obciążenia, porównać READ_IOUT z wartością oczekiwaną i zapisać skorygowaną wielkość do: „IOUT_CAL_GAIN” i/lub: „IOUT_CAL_OFFSET”. Ogólnie dokładność IMON w wielu stabilizatorach nie jest tak wysoka, jak przy wykorzystaniu rezystora czujnikowego do mierzenia prądu, ale kalibracja znacznie poprawi precyzję.
Precyzja
Pomiar prądu jest tak akuratny, jak suma jego części. W większości systemów dokładność jest ważna w średnim i górnym zakresie prądu obciążenia. Niektóre wymagają precyzyjności w warunkach niewielkiego obciążenia, co oznacza, że sygnał w łańcuchu wykrywania jest bardzo mały. Można podzielić części dotyczące dokładności na cztery kategorie: element czujnika, układ płytki, wzmacniacz i obwód pomiarowy sensora.
Zanim bardziej szczegółowo omówimy dokładność należy zdefiniować termin TUE. Całkowity nieskorygowany błąd lub TUE jest specyfikacją wymienioną w każdej karcie katalogowej elementów z rodziny LTC297x. Istnieją specyfikacje dla weryfikowania napięcia i prądu. TUE jest łącznym błędem spowodowanym wewnętrznymi nieprawidłowościami odniesienia, wzmocnienia i offsetu urządzenia PSM w buforach i wzmacniaczach na ścieżce od pinów VSENSE lub ISENSE do cyfrowej części układu. Jest to najgorszy przypadek błędu zapisany jako procent odczytu READ_IOUT lub READ_VOUT dla wszystkich zmian procesu i temperatury. Usuwa to ciężar obliczania poszczególnych wkładów z chipa, takich jak błędy VREF i ADC. Komponenty zewnętrzne — CSA i powiązane z nimi rezystory, w tym bocznikowe, rezystancja stałoprądowa cewki, prąd IMON — przyczyniają się do własnego błędu i muszą być uwzględnione w ogólnym budżecie nieprawidłowości.
Jak wspomniano wcześniej, najlepszą dokładność zapewnia rezystancyjny element czujnikowy umieszczony na ścieżce wyjściowej. Tolerancja RSENSE jest powszechnie określana jako 1%. Są to niedrogie i łatwe do znalezienia elementy. Wielkości zwykle wahają się od 0,5 mΩ do kilkudziesięciu mΩ. Aby określić wartość należy wziąć pod uwagę aktualną rozpiętość prądów i pożądaną dokładność na każdym końcu zakresu. Gdy prąd przepływa przez RSENSE na elemencie odkłada się małe napięcie delta V. To właśnie ten sygnał trzeba zmierzyć i przekształcić zgodnie z prawem Ohma w prąd. Chciałoby się uzyskać wystarczająco duży dla dobrej dokładności w warunkach lekkiego obciążenia. Jednak spory spadek I * R, jaki wystąpi przy niemałych obciążeniach może mieć negatywny wpływ na jakość napięcia zasilania i jego stabilizację. Zakładamy, że sprzężenie zwrotne stabilizatora jest pobierane z samego obciążenia, tak że punkty pomiarowe są połączone w poprzek. Odpowiada to za uwzględnienie każdej obniżki napięcia na ścieżce wyjściowej, zarówno po stronie wysokiej, jak i w torze powrotnym (GND). RSENSE w takiej sytuacji znajduje się wewnątrz pętli sprzężenia zwrotnego stabilizatora. Niestety nie kompensuje to mankamentów związanych ze zmniejszeniem sprawności energetycznej systemu i problemami z nadmiarowym ciepłem, jakie wytwarzane jest na oporniku pomiarowym.
Poniżej znajduje się przykład, który obejmuje analizę akuratności. Załóżmy, że zasilacz zapewnia maksymalnie 10 A i potrzebna jest dobra dokładność do 100 mA. Przy pełnym obciążeniu zaleca się, aby spadek I * R wynosił poniżej 50 mV. Jeśli rezystor pomiarowy jest umieszczony w pętli sprzężenia zwrotnego, można sobie pozwolić na wytworzenie większego napięcia. Wadą dużego sygnału jest strata mocy na elemencie czujnika. Jest to podstawowy kompromis przy wyborze wartości rezystora. Wielkość RSENSE jest obliczana na podstawie pomiaru napięcia przy pełnym obciążeniu prądu — w tym przykładzie 50 mV/10 A daje 5 mΩ. Zakładając, że wybrany został rezystor o sensownej 5 mΩ, który ma tolerancję 1%.
Osiągnięta dokładność wyniesie 1% (tolerancja rezystora) + 0,3% (TUE z arkusza danych) — łącznie 1,3% dla napięć wejściowych LTC2972/LTC2974/LTC2975 powyżej 20 mV, co przekłada się na prądy obciążenia większe niż 4 A. Dla poziomów poniżej 20 mV, TUE jest określone jako ±60 µV. Dla prądu obciążenia 100 mA wytwarzany sygnał wynosi 0,1 A × 0,005 Ω lub 500 µV. Błąd staje się znacznie większy w warunkach lekkiego obciążenia, osiągając nawet ±12% (60 µV/500 µV), które jest zdominowane przez TUE, a tolerancja rezystora ma niewielki wpływ na dokładność. W wartościach bezwzględnych jest to tylko ± 12 mA błędu. TUE uwzględnia wewnętrzne odniesienia i nieprawidłowości ADC. Wybór rezystora o mniejszej tolerancji zapewnia znacznie lepszą precyzję.
Tabela 2. Przykładowe obliczenia dokładności ISENSE
| Prąd obciążenia | Napięcie pomiarowe | LTC2972/LTC2974/LTC2975 TUE | Tolerancja rezystancji | Dokładność READ_IOUT | Dokładność READ_IOUT |
| 100 mA | 500 µV | 60 µV | 1.0% | ±13% | ±13 mA |
| 100 mA | 500 µV | 60 µV | 0.1% | ±12.1% | ±12 mA |
| 10:00 AM | 50 mV | 0.3% | 1.0% | ±1.3% | ±130 mA |
| 10:00 AM | 50 mV | 0.3% | 0.1% | ±0.4% | ±40 mA |
Powyższa dyskusja dotyczy większości linii LTC297x dla szyn zasilających < 6 V, gdzie piny ISENSE układów LTC2972/LTC2974/LTC2975 można podłączyć bezpośrednio w poprzek elementu czujnikowego, unikając konieczności stosowania zewnętrznego wzmacniacza. Jeśli szyna zasilająca ma > 6 V, układ taki jest niezbędny dla większości rodziny menedżerów zasilania. Wyjątkiem jest LTC2971, który umożliwia bezpośrednie podłączenie pinów ISENSE do ± 60 V. TUE LTC2971 stanowi 0,6% — dwukrotnie więcej niż dla LTC2972/LTC2974/LTC2975; jednak piny IOUT_SNS mogą być podłączone bezpośrednio do rezystorów czujnikowych o napięciu zasilania do ± 60 V.
W przypadku stosowania miernika LTC2977/LTC2979/LTC2980/LTM2987 do badania prądu wyjściowego przy napięciu zasilania > 6 V możliwe jest użycie wyjścia typu single-ended CSA do sterowania pinami VSENSE. Można wykorzystać dowolny kanał, a bit adc_hires powinien pozostać na swoim domyślnym ustawieniu równym 0. Pomiar prądu wyjściowego jest odczytywany z rejestru READ_VOUT i musi zostać przeliczony z woltów na ampery. Ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że większy zakres dynamiki występuje na VSENSE niż ograniczenie 170 mV na pinach ISENSE LTC2974/LTC2975. Pozwala to na ustawienie wyższego wzmocnienia wzmacniacza sygnału, aby wygenerować większe napięcie pomiarowe, ponieważ pin VSENSEP może być wysterowany do 6 V. Parametrem, który należy wziąć pod uwagę, jest napięcie niezrównoważenia wejściowego wzmacniacza pomiarowego VOS. To VOS, które jest mnożone przez wzmocnienie definiuje błąd wyjścia CSA. Jeśli VOS stanowi 85 µV (LTC6101), a wzmocnienie ustawione jest na 100, błąd wyjścia może mieć nawet 8,5 mV. TUE pinów VSENSE < 1 V stanowi 2,5 mV, a > 1 V wynosi 0,25% wartości. Wzmocnienie CSA powinno być na niskim poziomie, ale na tyle duże, aby wykorzystać możliwie spory zakres sygnału pinu VSENSE. Nieprawidłowość wniesiona przez CSA jest stałym błędem mV dla danego ustawienia wzmocnienia. Niepoprawność w przetłumaczonej wielkości prądu wyjściowego jest pokazana w ostatniej kolumnie. Tabela 3 ilustruje przykład. RSENSE wynosi 5 mΩ.
Tabela 3. Obliczenia dokładności LTC2977/LTC2979/LTC2980/LTM2987 dla adc_hires = 0 z zewnętrznym CSA
| Prąd obciążenia | Napięcie pomiarowe | Wzmocnienie CSA | VSENSE | LTC297x TUE | Błąd CSA | Błąd READ_VOUT | Wynikowy błąd pomiaru |
| 100 mA | 500 µV | 20 | 10 mV | 25% | 17% | ±42% | ±42 mA |
| 100 mA | 500 µV | 100 | 50 mV | 5% | 17% | ±22% | ±22 mA |
| 10:00 AM | 50 mV | 20 | 1 V | 0.25% | 0.17% | ±0.42% | ±42 mA |
| 10:00 AM | 50 mV | 100 | 5 V | 0.25% | 0.17% | ±0.42% | ±42 mA |
Pokazuje to, że zewnętrzne wzmacniacze zapewniają dość dobrą dokładność dla napięć o dużej amplitudzie, ale wprowadzają więcej błędów w warunkach niskiego poziomu wykrywalności.
Dokładne zbadanie prądu jest możliwe dzięki wytworzeniu wystarczającego napięcia lub sygnału pomiarowego. To delta V z elementu pomiarowego musi być dostatecznie duża, aby przezwyciężyć wszelkie szumy i nieprawidłowości, które są wprowadzane przez układ i inne źródła. Należy oszacować stosunek sygnału do szumu (SNR), decydując najpierw, jak ważna jest w systemie precyzja dla lekkiego obciążenia. Optymalną wartość można obliczyć, biorąc pod uwagę najniższe napięcie pomiarowe, które daje akceptowalną dokładność, podzielone przez minimalną wielkość prądu w mierzonym zakresie.
Aby osiągnąć najwyższą akuratność najlepiej jest stworzyć największy sygnał i zminimalizować błędy komponentów/układu. Oznacza to, że należy wykorzystać dużą wartość rezystora RSENSE i użyć takich o niskiej tolerancji. Można również rozważyć kalibrację bieżącej wielkości odczytu w układzie. W danym procesie podaje się znany prąd obciążenia i obserwuje wartość READ_IOUT, dostosowując IOUT_CAL_GAIN, aby zminimalizować błąd w wielkości odczytu. Należy zapisać wszelkie zmienione wartości w pamięci EEPROM układu, wydając polecenie: „STORE_USER_ALL”.
Precyzja pomiaru rezystora bocznikowego
Zaletą metody z rezystorem bocznikowym staje się to, że to sposób dokładniejszy od tego opartego o rezystancję stałoprądową cewki indukcyjnej, ponieważ wartość jest zwykle podawana z akuratnością do 1% lub lepszą. Współczynnik temperaturowy jest dość niski w porównaniu do cewki indukcyjnej. Jednak nawet jeśli można zakupić rezystory o bardzo wąskich tolerancjach, może to zostać zniweczone przez problemy z układem ścieżek czy lutowaniem.
Wadą metodyki rezystora bocznikowego jest to, że jest ona stratna z powodu redukcji napięcia na oporniku. Powoduje to wytwarzanie ciepła i zmniejszenie napięcia na wyjściu. Jak wspomniano wcześniej, spadek I*R jest w dużej mierze łagodzony przez umieszczenie rezystora czujnika wewnątrz pętli sprzężenia zwrotnego, co pozwala pętli stabilizatora na zniwelowanie obniżonego napięcia do pomijalnego poziomu.
Rezystory Rcm muszą mieć tę samą wartość ze względu na różnicowy prąd wejściowy LTC297x, który spowoduje błąd różnicowy napięcia. Niedopasowane rezystory Rcm wprowadzają nieprawidłowość wyłącznie z powodu tolerancji elementów filtra. Generalnie należy utrzymywać ich wielkości na poziomie poniżej 1 kΩ.
Rys. 10. Prąd pinów ISENSE.
Układ
Niezależnie od tego, czy chcemy użyć rezystora z czujnikiem dyskretnym, czy cewki indukcyjnej do zweryfikowania prądu, układ staje się ważny w warunkach dużego obciążenia. Ma to największy potencjał redukcji I*R w połączeniu lutowanym, a w tych pomiarowych mogą mieć dodatkowy wpływ. Najlepiej jest unikać tych drugich w kombinacji z polem lutowniczym zawierających spadek napięcia między punktami pomiarowymi. Jeśli porównamy układy na rysunku 11, przykład pokazujący połączenia z wnętrzem padów będzie miał niewielki lub żaden ubytek I * R, ponieważ te obszary pola lutowniczego doświadczają niedużego przepływu prądu bądź nie ma go wcale. Układ oznaczony jako: „dostateczny” cierpi na obniżki napięcia ze względu na położenie punktu pomiarowego (bok pada), który częściowo znajduje się na bieżącej ścieżce.
Rys. 11. Propozycje rozmieszczenia rezystorów bocznikowych.
Na rynku dostępne są również 4-pinowe rezystory pomiarowe. Oferują one dwa piny dla głównego toru prądowego i dwa mniejsze dla połączeń czujnika w topologii Kelvina. Do zastosowań wymagających dobrej dokładności dla prądów większych niż około 20 A dostępne są 4-pinowe rezystory wykrywające, wykonane ze stopów metali o wielkościach rezystancji do 100 µΩ. Niektórzy producenci podają rezystory o wyższej wartości z węższą tolerancją niż te o niskiej, więc trzeba pójść tutaj na jakiś podstawowy kompromis — użycie 1 mΩ przy 0,1% lub 400 µΩ przy 0,5%.
Rys.12. Rezystor bocznikowy z 4 wyprowadzeniami.
Więcej informacji na temat akuratności podczas rozmieszczania rezystorów wykrywających można znaleźć w rozdziale: „Optymalizacja dokładności pomiaru wysokich prądów poprzez poprawę układu niskowartościowych rezystorów bocznikowych”.
Używanie LTC2977/LTC2979/LTC2980/LTM2987 do mierzenia prądu wyjściowego
Układy LTC2977/LTC2979/LTC2980/LTM2987 mają ograniczone możliwości pomiaru prądu. Można je skonfigurować na nieparzystych kanałach: 1, 3, 5 i 7. Przy czym muszą one być ustawione na tryb wysokiej rozdzielczości (MFR_CONFIG_LTC2977, bit9). Umożliwia to powiązanie pinu VSENSEM z napięciem w trybie wspólnym do 6 V. Piny VSENSEP i VSENSEM mogą być połączone przez cewkę indukcyjną lub element rezystancyjny.
Rys.13. Bit MFR_CONFIG adc_hires.
Kanały o parzystych numerach nie obsługują tej funkcji, a pin VSENSEM (kanały 0, 2, 4 i 6) musi pozostać w zakresie ± 100 mV względem GND.
W tym trybie jedyną funkcją, jaką zapewnia ten kanał, jest odczyt telemetryczny prądu. Ustawienie bitu adc_hires wyłącza pin VOUT_EN i wszystkie reakcje na błędy. Zasadniczo wymusza to kanał do przejścia w stan: „wyłączenia” w przypadku LTC2977 i odczytuje tylko napięcie w mV na elemencie czujnikowym.
Układy LTC2977/LTC2979/LTC2980/LTM2987 nie mają wygodnego rejestru READ_IOUT ani takowego do przechowywania wartości rezystancji elementu pomiarowego. Zamiast tego używa się polecenia: „READ_VOUT”, aby uzyskać surowe wyniki napięcia różnicowego. Host systemu musi obliczyć prąd na podstawie tego odczytu podzielonego przez wielkość rezystancji czujnika. Należy pamiętać o tym, że wartości są podawane w formacie L11, a nie w L16. Jednostki to miliwolty. Jeśli do odczytu prądu używany jest host systemu lub układ FPGA/CPU, musi on wykonać obliczenia matematyczne, aby przekonwertować wartość w miliwoltach na taką w miliamperach bądź amperach. Nota aplikacyjna AN135 obejmuje przykładowy kod konwersji heksadecymalnej L11 na wielkość zmiennoprzecinkową.
Rys.14. Piny VSENSE używane do pomiaru prądu różnicowego.
Program LTpowerPlay wyposażony jest w funkcję, która wygodnie tłumaczy odczyt w mV na aktualną wartość w mA. Istnieje współczynnik skali, który może być użyty do wygenerowania skorygowanej wielkości w rejestrze READ_VOUT. Dostęp do tego uzyskuje się, klikając zakładkę: „Ustawienia” w oknie: „Konfiguracji”.
Wielkość wprowadzona w polu skalowania wyświetlania VOUT powinna być równa 1/RSNS. Jeśli używany jest zewnętrzny wzmacniacz należy ustawić współczynnik skalowania na 1/(GAINCSA/RSNS). Istnieje w systemie pole jednostek wyświetlacza, które można przekształcić z woltów na ampery, zastępując V na A. Te zmiany umożliwiają wyświetlanie obliczonego prądu zgodnego z rzeczywistym na podstawie zmierzonej rezystancji w obwodzie. Na przykład, jeśli RSNS wynosi 10 mΩ (0,01 Ω), skalowanie wyświetlacza VOUT stanowi 100. Rejestr READ_VOUT będzie teraz zgłaszał wartość w mA, która odzwierciedla 100 mA dla każdego mV mierzonego przez układ. W tym przykładzie do szyny zasilającej z RSNS 10 mΩ przyłożono obciążenie 592 mA, a układ mierzył 5,92 mV. Uwaga: wielkości skalowania/przesunięcia w Instalatorze nie są zapisywane w NVM urządzenia, a w pliku .proj.
Rys.15. Skalowanie wyświetlacza VOUT w zakładce: „Ustawienia”.
Rys.16. Telemetria READ_VOUT pokazuje przeskalowaną wartość i jednostki w mA.
Ponieważ napięcie różnicowe (VSENSEPn — VSENSEMn) jest ograniczone do ± 170 mV, element pomiarowy musi być tak dobrany, aby spadek I * R nie przekroczył tego limitu. Napięcie w trybie wspólnym tych pinów nie może wyjść poza 6 V. Na przykład, jeśli oczekuje się, że prąd będzie w zakresie 3 A, rezystor pomiarowy o wartości 50 mΩ dostarcza 150 mV napięcia do ADC i pozwala na skoki do 3,4 A. To świetne dla dokładności, ponieważ dostępny jest duży sygnał, ale 150 mV to dość spora redukcja I * R na ścieżce zasilania. Jest to miejsce na kluczowy kompromis, którego należy dokonać przy podejmowaniu decyzji między dokładnością pomiaru prądu a poziomem spadku napięcia na wyjściu. Należy zawsze zamknąć pętlę sprzężenia zwrotnego przy samym obciążeniu. Pozwala to na dostosowanie napięcia wyjściowego stabilizatora. Więcej informacji można znaleźć w arkuszu danych układu LTC2977.
Na przykład jeden z nieparzystych kanałów został przydzielony do oszacowania prądu wyjściowego. Kanał 7 mierzy IOUT kanału 6 przy zasilaniu 3,0 V.
Rys.17. READ_VOUT po zmianie jednostek na mA (kanał 7).
Gdy kanały nieparzyste są skonfigurowane do pracy w trybie wysokiej rozdzielczości ADC, pin VOUT_EN nie może być używany, a funkcja nadzorcy jest wyłączona; dlatego też nie ma możliwości szybkiego wykrycia przetężenia. Możliwe jest jednak monitorowanie prądu na dowolnym kanale (w trybie niskiej rozdzielczości ADC), jeśli wykorzystany zostanie zewnętrzny wzmacniacz i wysyłany będzie sygnał single-ended do pinu VSENSEP. Dedykuje to kanał napięciowy do nadzorowania wyjścia wzmacniacza pomiarowego. Opóźnienie propagacji będzie określone przez sumę przesunięć czasowych przez ten wzmacniacz, te wprowadzone przez urządzenie PSM i wszelkie inne, za które mogą odpowiadać elementy pasywne (tj. te ze składowymi RC). Opóźnienie PSM zależy od konfiguracji, od tego, czy reakcja na błąd jest ustawiona na natychmiastowe wyłączenie, czy na odroczone, a także od założeń w liczniku opóźnień.
Nadzór nad awariami OC/UC
Ochrona obciążeń przed przetężeniem może być bardzo pożądana na szynach zasilających obciążenia o wysokiej wartości. Kontrolery prądu wyjściowego są wbudowane w LTC2974/LTC2975. Dedykowany sprzęt umożliwia użytkownikowi skonfigurowanie kanału do wyłączenia, jeśli nadzorca wychwyci stan nadprądowy lub niedoprądowy. Sprzęty te mają wbudowane funkcje kontrolne zarówno napięciowe, jak i prądowe, co oznacza, że kanał zostanie wyłączony, jeśli napięcie lub prąd wyjściowy przekroczą zdefiniowane przez użytkownika limity. Kontroler napięcia i prądu są wewnętrznie połączone w logikę kontrolującą VOUT_EN. Tabela 1 w części 1 tego artykułu podsumowuje tę opcję dla wszystkich menedżerów PSM.
Rys. 18. Limity błędów/ostrzeżeń IOUT OC/UC.
Kontrolery błędów to komparatory próbkujące, które mają próg zadziałania regulowany przez użytkownika. Komparator jest próbkowany co 12,1 µs i umożliwia usuwanie szumów wyjściowych w oparciu o ustawienia uprzednio zdefiniowane. Nadzorca wyłączy się tylko wtedy, gdy warunek błędu będzie obecny kilka razy z rzędu lub zadziała licznik delay_count. Jest to zasadniczo filtr oparty na czasie. Licznik delay_count można ustawić na wartość do 7, co zapewnia do 84 µs opóźnienia odpowiedzi na zdarzenie nadprądowe. Pozwala to na niereagowanie na krótkie usterki podczas deklarowania błędu dla szerszych impulsów. Wszelkie filtry RC, które są wstawiane między obciążeniem a menedżerem, dodają dodatkowe opóźnienie. Filtr zmniejsza amplitudę wszelkich usterek, ale dodaje przesunięcie czasowe do chwili odpowiedzi układu kontrolującego. Karta katalogowa sugeruje stałą czasową stanowiącą jedną dziesiątą częstotliwości przełączania, ale nie tak rozległą, aby opóźnienie zapewniane przez filtr było znacznie dłuższe niż okres reakcji układu. W przypadku niskoszumnych zasilaczy, które wymagają szybkiej odpowiedzi zabezpieczenia nadprądowego, można wybrać opóźnienie z filtrem 200 Ω/10 nF lub 2 µs. W odniesieniu do źródeł zaszumionych filtr RC 1 kΩ/0,1 µF daje przesunięcie czasowe 100 µs. Chociaż wydaje się to dużą wartością, trwa to szybciej niż odczyt z przetwornika ADC, co może zająć około 100 ms.
Nadzór zdarzeń podprądowych wychwyci stan niskiego lub wstecznego prądu na wyjściu. Niski prąd jest typowy dla lekkich obciążeń i awaria tego rodzaju może nie być konieczna do wykrywania. Jednak mierzona skala prądu wyjściowego zawiera również wielkości ujemne. Chociaż kontrola nad tego rodzaju usterkami nie jest zwykle stosowana, może być używana do rozpoznawania momentu pojawienia się prądu wstecznego poprzez przestawienie: „IOUT_UC_FAULT_LIMIT” na wielkość ujemną. Aby wyłączyć wyłapywanie błędów tego rodzaju należy ustawić: „IOUT_UC_FAULT_RESPONSE” na ignorowanie i: „IOUT_UC_FAULT_LIMIT” na dużą ujemną wartość. Domyślna konfiguracja to -1 A.
Chociaż LTC2971/LTC2972 nie są wyposażone w system wyłapywania błędów przetężenia, urządzenia mają funkcję alarmowania przed taką sytuacją, która obniża stan ALERTB w oparciu o pomiar prądu wyjściowego ADC. Ostrzeżenia obniżą poziom ALERTB i zaktualizują rejestr STATUS_IOUT. Odczyt oparty na ADC będzie skutkować wolniejszą odpowiedzią i ma być używany jako wskaźnik stanu poprzez pin sprzętowy i rejestr PMBus. Możliwe jest powiązanie ALERTB z pinem CONTROL w celu wyłączenia kanału. Mikrokontroler połączony z układem może odpowiedzieć na ALERTB, deklarując przerwanie i sterując pinem CONTROL lub wydać polecenie PMBus, aby zamknąć kanał. Wadą danej kombinacji jest to, że każde ostrzeżenie lub błąd spowoduje powyższy skutek.
W przypadku używania pinów TSENSE w LTC2971/LTC2972/LTC2974/LTC2975 do kompensacji zmiany rezystancji stałoprądowej cewki indukcyjnej temperatura może być używana do wyłączania kanałów, co jest inną formą nadzoru. Błąd przegrzania, limity ostrzegawcze i odpowiedź na nieprawidłowość można dostosować do aplikacji na zasadzie kanał po kanale. Oznacza to, że można go użyć do wyłączenia pojedynczego i nie jest ustawieniem globalnym (całym chipem).
Format odczytu prądu L11
Wartość szesnastkowa odczytywana z urządzenia PSM jest sformatowana jako L11. Niezależnie od tego, czy weryfikowany jest rejestr READ_VOUT na LTC2977 (tryb wysokiej rozdzielczości ADC), czy READ_IOUT na LTC2975/LTC2974/LTC2972/LTC2971, L11 to wielkość ze znakiem, która ma 5-bitowy wykładnik i 11-bitową mantysę.
L11 obsługuje polaryzację bieżącego pomiaru. Ponieważ jest to format ze znakiem umożliwia to rejestrom READ_IIN i READ_IOUT dostarczenie informacji do hosta systemu o kierunku bieżącego przepływu. LTC2974/LTC2975 mają podprądowe progi dla prądu wyjściowego. Wartość ujemna może być przydatna do zamknięcia kanału, w którym wykryto prąd wsteczny.
Należy zwrócić uwagę na szczególny punkt dotyczący L11, a jest nim wysoka dokładność. Arkusze danych LTC2971/LTC2972/LTC2974/LTC2975 zawierają tabelę, w której wymieniono szczegółowość READ_IOUT w szerokim zakresie prądów. Istnieje nieodłączna ziarnistość, która wynika z formatu szesnastkowego L11 i nie z ADC urządzenia ani nie jest żadnymi innymi ograniczeniami sprzętowymi. W tabeli wymieniono również szczegółowość MFR_READ_IOUT do porównania. Wartość MFR_READ_IOUT jest formatem niestandardowym i zapewnia lepszą rozdzielczość z ziarnistością 2,5 mA powyżej 2 A. Jest ona ograniczona do ± 81,92 A. Jeśli procesor główny/FPGA płyty musi przekonwertować L11 na postać zmiennoprzecinkową, może wysyłać odczyty do dowolnego rejestru. READ_IOUT ma lepszą rozdzielczość dla prądów poniżej 2 A i nie ma limitu wartości 81,92 A, ale MFR_READ_IOUT będą rozwiązywane do najbliższej wielkości 2,5 mA.
Programowanie urządzeń PSM i LTpowerPlay
Podobnie, jak w przypadku całej rodziny układów LTC297x, programowanie urządzenia PSM i skuteczne zasilanie sprzętu po raz pierwszy może być bardzo satysfakcjonujące. Korzystanie z LTpowerPlay to najłatwiejsza droga. LTpowerPlay można uzyskać bezpłatnie i działa w systemie Windows. Oprogramowanie posiada wbudowane narzędzie programistyczne, które pobiera zapisane dane konfiguracyjne i zatrzymuje je w pamięci EEPROM urządzenia. Po włączeniu zasilania układ automatycznie ładuje RAM z EEPROM i jest gotowy do samodzielnej pracy.
LTpowerPlay jest potężnym instrumentem, który pozwala konfigurować, projektować, oceniać, diagnozować i debugować systemy zasilania. Nie jest to jedyna opcja — alternatywnie do programowania lub dostarczania telemetrii można używać rozwiązania, jakie napisano dla tego systemu w Linduino C. Przykłady dostępne są do pobrania.
Rys.19. LTpowerPlay to potężne środowisko programistyczne oparte na Windowsie obsługujące produkty Digital Power System Management (PSM) firmy Analog Devices.
Jeśli korzystamy z LTpowerPlay po raz pierwszy warto skorzystać z listy kontrolnej do utworzenia pliku .proj:
1. Upewnij się, że każde urządzenie PSM ma unikalny adres w PMBus (dowiązanie sprzętowe).
2. Ustaw: „IOUT_CAL_GAIN” na każdym kanale wyjściowym.
3. Podaj wartość RSENSE, DCR cewki lub obliczoną wielkość IMON.
4. Ustaw: „IIN_CAL_GAIN” na każdym urządzeniu, które mierzy wejściowy prąd zasilania (LTC2971/LTC2972/LTC2975).
5. Ustaw konfigurację związaną z temperaturą (na przykład: „MFR_IOUT_CAL_GAIN_TC”, „MFR_IOUT_CAL_GAIN_TAU_INV”, „MFR_IOUT_CAL_GAIN_THETA”).
6. Ustaw: „IOUT_OC_FAULT_LIMIT” i: „IOUT_OC_FAULT_RESPONSE” (LTC2974/LTC2975).
7. Ustaw: „IOUT_UC_FAULT_LIMIT” i: „IOUT_UC_FAULT_RESPONSE” (LTC2974/LTC2975).
Wskazówka: Użyj Kreatora konfiguracji w LTpowerPlay, aby ułatwić generowanie plików.
Podsumowanie
Układy LTC297x firmy ADI to scalone systemy PMBus do analizy sygnałów mieszanych, które mogą mierzyć i nadzorować prądy zasilania. Przedstawiono różne metody weryfikacji — wśród nich bocznik rezystorowy, cewka indukcyjna DCR i IMON. Obecne możliwości pomiarowe uzupełniają zestaw funkcji rodziny, gwarantując kolejny poziom ochrony w postaci wglądu w przypadku awarii OC/UC. Układy te zapewniają każdemu zasilaczowi możliwość monitorowania, kontrolowania i mierzenia napięć i prądów zasilania. Cechy te są bardzo pożądane w przypadku szyn zasilających o dużej istotności w systemie. LTC297x oferuje możliwość konfiguracji rejestrów PMBus urządzenia, co zwiększa elastyczność w zakresie wprowadzania zmian w koncepcie w dowolnym momencie fazy projektowania, nawet po wdrożeniu płyty w docelowej aplikacji.
Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/current-sensing-with-pmbus-digital-power-system-managers-part-2.html
Cool? Ranking DIY
