了解電源監視器精度

作者：Mark Thoren and Sal Afzal

在最終工廠測試期間（部署到現場之前）測量系統的功耗是任何產品測試程序的謹慎部分。但是，人們越來越強調將此功能引入產品本身，以便對功率、電流、電源電壓和能量進行“運行時”監控。準確監控這些參數可為安排維護和預測故障提供有價值的診斷信息。它還可以幫助確?！熬G色”系統滿足其低功耗目標。凌力爾特提供一系列產品，提供電壓、電流、功率和能量的運行時測量。其中包括LTC2945、LTC2946和LTC4151等獨立監視器，或將這些功能與熱插拔功能相結合的產品，如LTC4215 （用于+12V系統）、LTC4260 （用于+48V系統）和 LTC4261 （用于–48V系統）。所有這些設備本質上都充當“芯片上的萬用表”，但它們的精度如何？

精度規格困境

所有這些產品都指定了其測量通道的總非調整誤差（TUE），其中TUE是最壞情況下的誤差，在所有過程參數和溫度下測量，并將所有來源的誤差組合到一個規格中。它通常被描述為滿量程的百分比。

TUE通過提供所有條件下最壞情況誤差的最大界限來簡化初步誤差分析，以單個數字表示。

然而，由于TUE是一個單一的規格，它經常導致對整個輸入范圍內的測量精度的混淆。通常，人們錯誤地假設TUE誤差將在整個轉換器的輸入范圍內發生，從而導致輸入范圍下限的嚴重不準確。以 LTC2946 能量監視器為例，ΔSENSE 通道的 TUE 規格規定為滿標度的 0.6%。雖然此值對于接近滿量程的輸入可能很好，但對于小輸入可能不可接受的。TUE只是故事的一部分 - 當輸入小于滿量程時，其他保證規格會將允許誤差限制在較小的值。

為了闡明整個輸入范圍內的性能，必須了解各種ADC誤差源。本文將以配置為 10.24A 電流測量的 LTC2946 為例，重點介紹與電源監視應用最相關的 DC 誤差規格。電流檢測通道是需要研究的最復雜的測量，因為它包括 LTC2946 的內部誤差以及檢測電阻器的容差，而電源電流是一個在系統操作期間可能變化很大的參數。

錯誤來源和規格

圖 1 示出了 LTC2946 數據手冊中的規格表。與我們的分析相關的規格包括TUE、滿量程電壓、LSB 步長、失調誤差和 INL。

圖1.LTC2946 規格表

這些規格包括 LTC2946 內部所有誤差的貢獻，包括 ADC、基準、電流檢測運放 （用于 ΔSENSE 通道）和內部分壓器 （針對 SENSE/V+DD通道）。圖 2 示出了 LTC2946 以及一個外部 10mΩ、1% 容差檢測電阻器的框圖。

圖2.LTC2946 顯示信號鏈的框圖

此分析的一個有用概念是傳遞函數的概念。這是SENSE和SENSE之間輸入電壓的映射+–引腳到數字輸出代碼。圖3顯示了一個假設的完美傳遞函數，其中零輸入產生零計數的輸出代碼，102.4mV的滿量程輸入產生4095計數的輸出代碼，這些點之間存在完美的線性關系。每個代碼轉換比前一次轉換正好高25μV。在這個完美的LTC2496中，永遠不會有大于1LSB的誤差1.下面描述的錯誤都偏離了這個理想。

1LTC2946 在 25μV 電壓下實現了從代碼 0 到代碼 1 的理想轉換。一些ADC經過修整，以在1/2 LSB輸入下提供理想的轉換。

圖3.放大傳遞函數;圖 3b：整個傳遞函數

失調誤差決定了精確測量小電流的能力

失調是 LTC2946 的輸出代碼，當輸入為零時產生。對于 LTC2946，該誤差的最大值為 2.1LSB 或 52.5uV。這相當于 0.057% 的誤差 – 大約是 TUE 規范的 10%。

圖4.正負失調誤差

請注意，偏移量可能是正數或負數。如果偏移量為正，則當輸入為零時，輸出代碼將不為零。如果失調為負，ADC將在零處“箝位”或“供電軌”，并且輸入端需要一些小電壓才能產生非零輸出。因此，必須使用施加到輸入端的已知小電壓來評估失調。從ADC讀數中減去該電壓以計算失調?？紤]具有最差情況負失調的LTC2946;施加等于 10 LSB （250μV） 的電壓將產生 7.9 LSB 的輸出代碼。從此輸出代碼中減去 10 LSB 得到 –2.1 LSB。類似地，對于具有正失調的LTC2946，輸出代碼將為12.1 LSB，減去10 LSB將產生+2.1LSB失調。

確實，施加該電壓會允許其他誤差源污染測量（增益誤差、線性度），但選擇測試電壓時，失調誤差仍然占主導地位，附加誤差可以忽略不計。

失調對我們的 10.24A 應用的影響是，當零電流流過檢測電阻器時，具有正失調的 LTC2946 可能指示電流高達 5.25mA，而具有負失調的 LTC2946 可能會繼續讀取零，直到 7.75mA 流過。當電流為零時，檢測電阻的容差不會影響電流測量，并且對于小電流的影響很小。也就是說，LTC2946 失調是小電流的主要誤差源。

滿量程誤差決定了精確測量大電流的能力

全標度誤差是 LTC2946 輸出代碼中的誤差，當在 SENSE 輸入端施加一個 102.4mV 的理想全標度電壓時產生該誤差。全標度誤差包括 LTC2946 內部的所有誤差源：失調 （如前所述）、增益誤差和 INL（稍后定義）。檢測輸入的滿量程誤差是根據輸入電壓指定的，該輸入電壓將導致滿量程輸出：當輸入為103mV時，具有負滿量程誤差的器件將輸出代碼4095，當輸入為101.8mV時，具有正滿量程誤差的器件將輸出代碼4095。該規格可以“反轉”，用完美的102.4mV輸入產生的代碼來表示。102.4mV的輸入可以產生一個輸出代碼，指示最小值為101.8mV（輸出代碼4071）和最大值為103mV（輸出代碼4119）。

請注意，在最大情況下，輸出代碼將被“箝位”在4095，就像具有負偏移的器件的輸出將被箝位在零一樣。在這方面，滿量程誤差類似于失調誤差，即滿量程誤差是滿量程輸入時的端點誤差，而失調誤差是零輸入時的端點誤差。LTC2946 的全標度誤差規格為 ±0.58% -- 略低于 0.6% TUE 規格。

為什么 TUE 規格不是簡單的 0.58%？TUE規范允許的額外0.02%誤差允許傳遞函數的非線性，這將在稍后討論。

在計算滿量程誤差對10.24A應用的影響時，必須考慮另一個誤差源 - 檢測電阻的容差。正好10.24A的電流流過1%容差的10mΩ電阻將產生低至10.24*0.01*0.99 = 92.16mV或高達10.24*0.01*1.01 = 103.42mV的電壓。該電壓中的誤差將直接增加 LTC2946 的全標度誤差，該誤差隨后將反映在輸出代碼中。因此，測量的電流可以低至10.24 * 0.99 * （0.9942） = 10.079A或高達10.24 * 1.01 * 1.0058 = 10.402A。當然，高位將被箝位在指示電流10.24A，因此我們可以計算產生滿量程輸出代碼的實際電流：101.8mV / （0.01 * 1.01） = 10.079A;任何高于此值的電流將繼續輸出代碼 4095。

圖5.滿量程誤差。

增益誤差通常不如滿量程誤差有用

增益誤差是理想傳遞函數與實際傳遞函數之間的斜率差，如圖6a所示。它需要沿傳遞函數的兩個點進行計算，最好靠近端點以考慮整個輸入范圍。作為數據手冊規格，增益誤差通常不如滿量程誤差用于直流電流和電壓測量，因為當失調誤差和滿量程誤差相等時，增益誤差可能為零。如圖6b所示，該器件具有失調誤差、滿量程誤差但增益完美的器件的傳遞函數。

LTC2946 電流測量應用具有四個增益誤差源。LTC2946 內部有三個：基準電壓源、檢測放大器的增益 20 和 ADC 本身。外部檢測電阻的容差也直接影響電流測量的增益。

圖 6a. 非零增益誤差

圖 6b. 零增益誤差

增益誤差未在 LTC2946 數據手冊中單獨指定。但是，可以使用以下公式進行估算：

增益誤差 = 滿量程誤差 – 失調誤差

考慮到失調和滿量程誤差的大小，增益誤差是滿量程誤差規范中的主要術語。

積分非線性是傳遞函數與直線的偏差

積分非線性（INL）定義為代碼轉換與其理想轉換點的偏差，不考慮失調誤差和滿量程誤差，如圖7所示。

圖7.INL 錯誤

INL曲線的“形狀”由ADC的架構決定。LTC2946 具有一個一階三角積分 ADC，該 ADC 往往會產生因器件而異的定性相似的 INL 曲線。圖8所示的典型INL曲線具有單個“弓形”，INL誤差逐漸增加至傳遞函數中心附近的最大值。因此，雖然數據手冊規范允許器件在距離任一端點僅幾碼的地方具有最大INL誤差，但實際器件不會以這種方式運行。

圖8.典型值 LTC2946 INL

LTC2946 的 2.5LSB INL 規格對典型電流監視應用的影響很小。在我們的10.24A示例應用中，2.5LSB相當于6.25mA，與失調誤差相當，與161mA滿量程誤差相比微不足道。

將一切整合在一起

考慮我們的 10.24A LTC2946 示例，該電信板在沒有處理數據時消耗 5A 電流，滿負載時消耗 9A 電流。具有一個 10mΩ 電阻器的 LTC2946 用于實現 10.24A 全標度是一個不錯的選擇，為較高的電流瞬變留出了一定的空間。如果TUE是唯一指定的誤差，則對于任何輸入電流（包括檢測電阻貢獻的誤差），測量誤差可能高達164mA。在9A電流測量中，164mA的誤差相當不錯，約為實際電流的1.8%，誤差將由檢測電阻的1%容差決定。在5A時，164mA誤差相當于實際電流的3.22%，仍然足以進行“健康狀態”測量。但是，如果應用具有非常低的功耗休眠狀態或其他消耗電流明顯較小的工作模式，則164mA誤差將很麻煩。

應用前面定義的其他規格表明，在低電流下，測量誤差明顯優于TUE規格。當電流為零時，檢測電阻兩端的電壓為零，最大誤差將由2.1LSB的失調規格決定。將此數字乘以25μV LSB得到52.5μV的失調，假設完美檢測電阻為10mΩ，則最大誤差為5.2mA。

同樣，滿量程下看到的最大誤差將受到滿量程誤差的限制，并導致之前計算的161mA誤差。

其余誤差由INL引起，它導致傳遞函數偏離其端點之間的理想直線。LTC2946 針對 ΔSENSE 通道的 INL 規格為 2.5LSB 或 62.5μV。這意味著一個10mΩ檢測電阻的誤差為5.2mA。請注意，INL誤差將沿傳遞函數的某個位置達到最大值（見圖8），但對于接近零或滿量程的輸入，其貢獻很小。

這意味著，對于10A應用，如果我們要引入1%電阻引入的誤差，我們將以約6.3mA的精度測量低電流。小輸入的主要誤差是失調誤差，而對于較大輸入，則主導誤差是 LTC2946 的全標度誤差和檢測電阻器的容差。

圖 9 由本文檔隨附的方便的錯誤計算器電子表格生成。它計算器件輸入范圍內任何電壓的預期最大誤差。電子表格的輸入包括 TUE、滿量程誤差、偏移誤差和 INL。需要一個名為“INL構建率”的附加參數來估計INL的貢獻。該參數以傳遞函數的百分比表示，允許INL誤差從零尺度和滿量程的零貢獻到接近傳遞函數中心的最大值。輸入零值將產生更保守的結果;輸入值 30 將更接近地模擬實際 LTC2946。

圖9.實際誤差與星期二

電壓測量精度

同樣的分析也適用于電壓測量。SENSE/V 的 0.4% TUE 規格+DD通道聽起來像是電源輸出的好數字;對于低壓線性穩壓器，1%被認為非常精確，考慮到大多數負載將接受36V至72V，48V電信電源的0.4%精度測量綽綽有余。但 48V 大約在 LTC2946 的 V 的中間在測量范圍102.4V;如果 0.4% TUE 是唯一的規格，則對測量的相對影響將大約翻倍：

48V 測量誤差 = 0.4% * （102.4 / 48V） = 0.8%

這對于 48V 電源來說仍然很好，但進入 SENSE / V 的 LTC2946 規格+DD通道和48V測量輸入到電子表格中顯示誤差約為滿量程的0.25%。

結論

總未調整誤差是一種方便的精度規格，以單個數字表示。但是，了解所有精度規格對于了解整個輸入范圍內的預期測量誤差至關重要。

審核編輯：郭婷