使用數字電流傳感器進行功耗和能耗監(jiān)測

隨著對高能效系統(tǒng)的需求不斷增長，精確監(jiān)測系統(tǒng)功耗 和能耗變得越來越重要，而這也是越來越多的工程師必 須解決的問題。該問題的一種解決方案是對電流和電壓 均使用模數轉換器 (ADC)，然后在處理器中對結果做乘 法以獲得功耗。不過，獲取電流和電壓信息之間的通信 延遲和開銷會在功耗測量中引入時間對準誤差，因為電流和電壓都可能彼此獨立地變化。

為了盡可能減小電壓和電流測量之間的延遲，處理器需 要為 ADC 通信和功耗計算提供足夠的處理能力。即使 具有主要 用于此功能的處理器，與系統(tǒng)中其他器件的任何交互也 可能延遲電壓和電流測量并降低功耗監(jiān)測精度。增加額 外的職責（如計算平均系統(tǒng)電壓、電流和功耗以及進行 能耗監(jiān)測）將進一步加重處理器執(zhí)行額外功能的負擔。

一種更好的功耗監(jiān)測方法是使用數字電流監(jiān)視器來執(zhí)行數學處理，將處理器解放出來處理其他系統(tǒng)任務，僅在 需要進行更高級別的系統(tǒng)操作時通知處理器。TI 提供 廣泛的數字功耗和電流監(jiān)視器來解決該問題。一款此 類器件是INA233，它可以通過與 I2C、系統(tǒng)管理總線 (SMBus)、電源管理總線 (PMBus) 兼容的接口來監(jiān)測電 壓、電流、功耗和能耗。圖1 INA233的方框圖。

圖1：INA233典型應用電路

圖2是電源轉換引擎的簡化方框圖。在該圖中，在 內部以交錯方式通過分流電壓和總線電壓測量值計算功耗，從而最大限度地減小功耗計算中的時間對準誤差。

圖2：INA233電源轉換引擎

內部功耗計算在后臺執(zhí)行，不影響 ADC 轉換速率或數字總線通信。該器件還具有一個ALERT引腳，它會在電 流、功耗或總線電壓超出預期工作范圍時通知主機處理 器。INA233會獨立處理故障事件；在ALERT引腳有效 時讀取內部狀態(tài)寄存器可以報告多個同時存在的故障情 況。INA233的內部處理和通知功能可將主機處理器解放 出來管理其他任務，同時該器件會 持續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)。僅當需要額外的關注時，才會通過ALERT引腳通知主機處理器。 

INA233還具有一個 24 位的功耗累加器，它會將當前的 功耗讀數 與先前的功耗讀數之和相加。該功耗累加器可監(jiān)測系統(tǒng) 能耗，從而得到隨時間推移的平均功耗測量值。由于功耗水平可能在任何給定時刻波動，因此通過能耗監(jiān)測可以更好地衡量長時間范圍內的平均系統(tǒng) 功耗。了解系統(tǒng)能耗還可以衡量系統(tǒng)運行時間和功效， 以及涉及電源電壓和處理器時鐘頻率調節(jié)的功耗優(yōu)化的 效果。

用于分流電壓和總線電壓測量的ADC轉換時間可編程為 介于 140μs 和 8.244ms 之間。較長的轉換時間有助于 降低噪聲敏感性和提高器件測量的穩(wěn)定性。圖 3 顯示了增加 ADC 轉換時間的 效果。

圖3：噪聲與ADC轉換時間的關系

除了可編程的ADC轉換時間之外，該器件可對多達 1,024 個轉換周期計算平均值，并在平均值計算完成后 更新內部功耗、電流和電壓寄存器。通過可編程轉換時 間以及平均值計算窗口，可以調節(jié)器件遙測更新速率以 滿足系統(tǒng)時序需求。

盡管INA233 具有內置的平均值計算和可調節(jié)的 ADC 轉 換時間，但您必須等待平均值計算完成后才能讀取結 果。內部功耗累加器的一個好處是使主機能夠按需計算平 功耗，從而消除等待平均值計算時間間隔結束的延遲。

通過獲取總累加功耗值并除以該累加周期的 總樣本數，可按需獲得平均功耗讀數，如公式 1 所示：

計算出平均功耗之后，可以通過將平均功耗乘以該平均 值的時間間隔或通過將總累加功耗乘以 ADC 轉換時間來 確定能耗，如公式 2 所示： 

由于 ADC 轉換時間可以變化高達10%，因此最好用平均功耗乘以使用外部時間基準測出的時間。能耗計算的時間間隔應 該足夠長，從而使數字總線產生的通信時間 對于能耗計算中使用的總時間而言無關緊要。INA233 中的功耗累加器的大小限制在 24 位。主機應定期讀取累加器的值并將其 清除以避免溢出。還可以將累加器配置為在每次讀取后自動清除。

溢出的時間將是功耗、ADC 轉換時間和平均時間的函數。相對于較低的功耗水平，較高的功耗水平將導致功 耗累加器更快發(fā)生溢出。此外，較長的轉換時間和更高 的平均數將 延長溢出的時間；在較低功耗的情況下， 溢出的時間可以延長至幾個小時， 甚至長達幾天。

INA233 是 TI 提供的諸多數字電流監(jiān)視器之一。表 1 顯示了一些還可以監(jiān)測系統(tǒng)并有助于將主機處理器解放出來處理更高級別任務的替代器件。

使用電流檢測放大器的PLC系統(tǒng)中分立式數字輸出的安全和保護

可編程邏輯控制器 (PLC) 是一種在用于工廠自動化應用 的工業(yè)控制系統(tǒng)中最廣為接受的計算機協(xié)議。PLC 系統(tǒng) 是用于控制、提供系統(tǒng)狀態(tài)和設置系統(tǒng)狀態(tài)優(yōu)先順序的 維修系統(tǒng)。這種控制器通過與現代計算機非常相似的基 本二進制邏輯進行編程。

PLC 系統(tǒng)由以下部分組成：

? PLC 計算機處理器。

? 電源機架。

? 電源背板。

? 數字輸入和輸出模塊。

? 模擬輸入和輸出模塊。

? 計算機軟件.

? 用于遠程連接的網絡接口. 

PLC 系統(tǒng)廣泛用于可加快工業(yè) 4.0 革命的工業(yè)應 用。PLC 系統(tǒng)能夠更快地集成半導體器件，實現控制和自動化，從而提高效率和工廠生產能力。工業(yè)自動化 和集成示例包括控制溫度、打開和關閉故障指示燈、使用壓力傳感器對包裹進行稱重或打開和關閉電磁閥繼電器。 

由于工業(yè)系統(tǒng)可能是高頻信號和噪聲與低電壓信號相互摻雜的嘈雜環(huán)境，因此PLC系統(tǒng)的輸出模塊是光耦合的?？乖肼暦€(wěn)定性、簡單的架構、編程語言易用性、工 業(yè)認證和安全功能是PLC系統(tǒng)成為最廣泛使用的工業(yè)協(xié) 議的原因。

圖1說明了 PLC 系統(tǒng)的輸入和輸出，它們分為數字和 模擬兩種類型。 數字輸入為控制電路提供開/關狀態(tài)。 數字輸入器件的一些示例包括限位開關、光電傳感器、 接近傳感器和壓力傳感器。模擬輸入器件（例如 熱電偶、轉速計和力敏傳感器）提供可變的輸出響應。

PLC數字輸出用于打開和關閉起動機以使用電機，打開燈以指示故障或控制使用繼電器的電磁閥。

模擬輸出包括電流水平輸出和電阻水平，它們可控制和監(jiān)測加熱器或控制電機的轉速。

圖1：PLC系統(tǒng)方框圖

圖 2 顯示了一個 PLC 數字輸出電路。 PLC 數字輸出具備高達1A的高驅動

– 強度功能。連接之后的數字輸出可以驅動電磁閥繼電器，以控制 PLC 控制器啟動的操作。

與負載串聯的分立 式電流傳感器（如圖 2 所示）持續(xù)監(jiān)測流向負載的 電流， 并向控制器報告存在過多電流以采取措施。由于 PLC 數 字輸出的擺幅范圍為 -0.7V 至 24V，因此失調電壓和增 益誤差較低的高側電流檢測放大器可確保高輸出驅動的 安全。

圖2：PLC數字輸出灌電流電路

由于 PLC 數字輸出驅動可能很高，因此灌電流能力是其 中的一個關鍵安全 HF。輸出設計有 N 溝道 P 溝道 N 溝道 (NPN) 晶體管 以及內置的二極管以實現過壓保護。當使用 PLC 數字輸 出時，來自電源的灌電流會始終處于 PLC 額定過熱工作 范圍內。分立式電流檢測放大器可保護數字輸出免受過 流情況的影響，提供診斷以解決有故障的負載狀況，并針對過早的系統(tǒng)故障采取預防性措施。

通過將 PLC 數字輸出直接連接到高電流電磁閥驅動器或 高電流 LED 燈，可以在工廠自動化應用中關閉繼電器或 指示故障。如果電流輸出驅動高于 PLC 系統(tǒng)的額定值， 則可以使用分立式場效應晶體管 (FET) 來控制從 24V 電源到負載的電流。

圖 3 說明了PLC數字輸出與外部低 RDS(on) FET 的連 接（用于進一步增加輸出驅動強度）。 該方法的一個缺 點是外部 FET 的可靠性問題。使用電流檢測放大器來監(jiān) 測負載電流可確保 PLC 系統(tǒng)安全運行。 

圖3：PLC分立式數字輸出控制

INA240是雙向電流檢測精密放大器，在工作溫度范圍內 具有較低的輸入失調電壓和增益漂移，可用于測量分立 式 PLC 數字輸出上的電流。 INA240 專用于共模瞬變具 有較大的 dv/dt 信號的開關節(jié)點環(huán)境。由于能夠抑制較 高的 dv/dt 信號，因此可對電流進行精確測量，從而確 保必要的 保護并符合所需的安全標準。INA240 的最大輸入失調電 壓較低，為 25μV，最大增益誤差為 0.2%，可在不影響 測量精度的情況下使用較小的分流電阻值。

失調電壓溫漂和增益誤差漂移分別低至 0.25μV/°C 和 2.5ppm/°C，從而能夠在不同溫度下實現精確且穩(wěn)定的 電流測量。INA240 的信號吞吐量帶寬為 400kHz，增益 為 20。高帶寬和高壓擺率 (2V/μs) 使得該放大器可以快速檢測過流或短路負載情 況，前提是 PLC 系統(tǒng)內的采樣 ADC 的速度足夠快，能 夠對電流進行采樣。

備選器件建議

LMP8480是適合這種應用的另一種推薦器件。LMP8480 單向高側電流檢測放大器，可支持4V到76V的共模電壓。

LMP8480上的電源可高達76V，這樣就可以連接直接通 過 24V PLC 直流電源供電的電流檢測放大器 - 從而 需創(chuàng)建額外的低電壓電源。 

MP8480 還提供高達 5mA 的高輸出電流。該高輸出電流 有助于驅動較長的電容電纜，而不會影響信號完整性， 也不需要額外的輸出緩沖器

簡化電池測試設備中的電壓和電流測量 在向客戶發(fā)貨之前，電池測試設備驗證電池組的功能和性能。電池測試儀執(zhí)行三種主要的功能測試：

?   電池化成和分容。在組裝電池單元或電池組之后，每個單元必須經歷至少一個完全受控的充電或放電循 環(huán)，以初始化該設備并將其轉換為正常工作的儲電 設備。

電池供應商還使用這種方法對電池單元進行分容，這是 根據目標規(guī)格將電池分成不同性能組的過程。如需 更深入地了解電池初始化電路，請參閱雙向電池初始化系統(tǒng)電源板參考設計。

?   環(huán)路和特性測試。環(huán)路和特性測試是指通過重復充 電和放電序列來循環(huán)運行電池或電池組。這可以驗 證電池的特征壽命和可靠性參數是否處于規(guī)定的容 差范圍內。

?   功能測試。功能測試驗證電池組在發(fā)貨前是否正常 運行，并確保每個電池和電池組正常工作。 

圖1：傳統(tǒng)電池測試設備方框圖

在典型系統(tǒng)中，降壓轉換器用作電池充電的電源，升壓 轉換器用于電池放電。傳統(tǒng)運算放大器和儀表放大器 (INA) 都在反饋環(huán)路中 用于控制電壓和電流的充電和放電。

為了給電池充電，降壓轉換器應啟用，而第一級電壓運 算放大器和電流檢測 INA測量電池電壓和電池或電池 組的充電電流。這些經調節(jié)的信號分別用作電壓回路或 電流回路的第二級誤差運算放大器的輸入。

每個誤差運算放大器的增益輸出用作第三級緩沖運算放大器的輸入。緩沖運算放大器的輸出饋送到降壓轉換器的反饋引腳中，以控制輸出電壓或電流。根據輸出電流要求，可以通過多 種方式來實現降壓/升壓功能；不過有兩種方法是最常見的。 對于更高電流要求，您可以使用集成式充電控制器和外 部場效應晶體管 (FET)。但是，對于成本敏感型系統(tǒng)中 常見的低電流要求，您可以通過離散方式實現此功能， 如圖 2 所示。 

只需調整誤差運算放大器正輸入引腳上的 V_{V_ref} 和 V_{I_ref}，即可將降壓轉換器的目標輸出電壓和電流調整 到最佳值。在典型的電池充電應用中，電流環(huán)路誤差運 算放大器的輸出電壓開始為高電平，使降壓轉換器進入恒流輸出模式。

圖2：電池測試設備典型放大器配置

在下一個相位中，電壓環(huán)路誤差放大器的 輸出電壓變高，從而使降壓轉換器進入恒壓輸出模式。電池放電時，禁用升壓轉換器。運算 放大器控制電池放電電流和電壓，其工作原理與電池充 電時相同。升壓轉換器將電池電壓提升至 V_DC，該電壓 通常為12V。

典型的系統(tǒng)要求為：

經調節(jié)的電流誤差ERR I_OUT=0.1%。

經調節(jié)的電壓誤差 ERR V_OUT = 0.5%。

為了滿足這些要求，您需要一個具有低失調電壓 (V_{O S})、低 V_OS溫度漂移和高共模抑制比 (CMRR) 的運算 放大器，如TLV07。 運算放大器與功率級形成一個閉環(huán)。誤差運算放大器的反相輸入端上的電壓將非常接近基準電壓 V_{V_ref}和V_{I_ref}，從而最大限度地減小了大環(huán)路增益產生的誤差。由于主要誤差來自電壓和電流檢測放大器，因此選

例如，如果所需的經調節(jié)的輸出電流目標I_SET為10A，并且電流檢測電阻器RSENSE為20mΩ，則放大器的 輸入誤差如公式 1 所示： 

如果所需的經調節(jié)的輸出電壓設置為V_SET4.2V，則放大器的輸入誤差如公式2所示：

假設溫度從 25°C 升至 85°C 且電池電壓為 4V，那么 您可以輕松計算低失調電壓和低失調電壓溫漂運算放大 器（如 TLV07）產生的實際誤差，如公式 3 所示。 擇精密放大器非常重要。 在下一個示例中，我們使用的 INA 集成了所有反 饋電阻器，提供 V_{OS_max}= 150μV、dV_OS/dT_max=0.5μV/°C， 非常適合在具有簡化設計的系統(tǒng)中執(zhí)行電流分流放大 器功能。 如果系統(tǒng)需要更高的性能規(guī)格，則可以將電流和電壓 誤差分別更改為 0.05% 和 0.1%。在這種情況下，您 可以使用零漂移 INA188 等精密 INA。假設條件與第 一個示例相同，溫升為 60°C，V_BAT為 4V， 那么 INA188 的實際誤差為：

? V_{I_ERR_RTI}= 67μV。

? V_{V_ERR_RTI}≤4.2mV。

通過查看圖3，您可以看到是電流檢測電阻器導致了I +和I-貢獻。B+和B-分量來自電池的正負端子。由于實際的電池電壓可能高于 5V，因此典型的運算放 大器電源為12V。

TLV07、INA188 和 INA125都具有 36V 的最大 (±18V) 電源電壓，符合系統(tǒng)要求。

由于在充電和放電周期中電池電流可能接近于零，因此 在第一級電流檢測運算放大器中實現雙極電源可避免削 減電流檢測信號。會分別使用 R12、C3 和 C4 以及 R 6、C1 和 C2 對誤差運算放大器的每個級應用 III 型補償。為確保環(huán)路穩(wěn)定性，您應根據實際電源設計對這些值進行微調。

圖 3：高端應用中采用TLV07和INA188的電壓和電流檢測電路

電壓和電流檢測是電池測試設備系統(tǒng)中最重要的兩項測量。該應用最重要的器件規(guī)格是具有低失調電壓和漂移的器件。 這些參數對于確保高性能檢測而言至關重要，同時最大限度地減少了對系統(tǒng)誤差的第一級貢獻。