電流監控系統的應用場(chǎng)景和解決方案

引言：許多應用需要輸出負載電流監測，實(shí)際需求因系統而異，從簡(jiǎn)單的參數數據記錄和報告到診斷、控制。有多種解決方案可用于監測負載電流，每種解決方案都有自己的優(yōu)勢和挑戰，選擇正確的解決方案需要對系統需求進(jìn)行評估，并在性能、成本、面積和復雜性等因素之間進(jìn)行權衡。本節介紹集成電源開(kāi)關(guān)中的輸出負載電流監測功能，而不是獨立的電流監測設備/解決方案。

1. 電流監控系統的應用場(chǎng)景

在整個(gè)系統或子系統中對電流監測的需求各不相同，下面是一些電流監控的應用需求示例：

統功率報告

監測電壓和電流等基本電氣參數的最常見(jiàn)原因是用于報告和數據記錄目的，例如在擁有數千臺服務(wù)器的數據中心中，監控單個(gè)服務(wù)器節點(diǎn)的功耗有助于統一分配工作負載，從而確保數據中心以最佳效率運行。

工廠(chǎng)自動(dòng)化

系統電流監控也適用于工廠(chǎng)自動(dòng)化，尤其是在使用M16和M18電纜來(lái)分配功率的遠程輸入/輸出（I/O）模塊中，為了不超過(guò)電纜額定電流，監測端口和系統的電流非常重要，否則可能會(huì )損壞系統。

動(dòng)態(tài)/實(shí)時(shí)控制

一些系統使用負載電流測量來(lái)實(shí)現實(shí)時(shí)控制，在這樣的應用中，除了準確性之外，具有高帶寬和低延遲同樣重要。例如在服務(wù)器中，電源監視器可以檢查整個(gè)系統電流是否快速上升超過(guò)某個(gè)閾值，并向中央或圖形處理單元發(fā)送信號，以快速降低其性能，從而防止整個(gè)系統關(guān)閉，通常此信號需要非?？欤ㄑ舆t<10us）。

診斷

通過(guò)查看不同部分的電流消耗，并將該消耗與基于正常操作期間的預期值的閾值進(jìn)行比較，可以識別系統中的故障，任何消耗明顯高或低電流的部分都可能指示故障。例如在工廠(chǎng)自動(dòng)化中，布線(xiàn)是電源和信號路徑的必要條件，因為它分布在大型工廠(chǎng)環(huán)境中，數字輸出模塊通常將最大導線(xiàn)長(cháng)度指定為100米。使用這種長(cháng)度的導線(xiàn)，導線(xiàn)可能會(huì )意外斷裂，可以通過(guò)模擬電流監測器或開(kāi)路負載檢測功能監測回路中的電流來(lái)檢測斷線(xiàn)。

類(lèi)似地，汽車(chē)駕駛員輔助系統傳感器和天線(xiàn)通常通過(guò)長(cháng)電纜連接，具有快速報警和診斷電線(xiàn)斷裂的能力對于確保安全操作至關(guān)重要。

預測性維護

一些系統（服務(wù)器、線(xiàn)卡和可編程邏輯控制器I/O模塊）監測電氣參數的配置文件，并尋找時(shí)間/頻率特征的變化，以預測即將發(fā)生的故障，這些信息有助于系統操作員在故障發(fā)生前安排維護。預測性維護有助于避免計劃外停機、生產(chǎn)力損失甚至安全隱患，在這些應用中，電流監測器需要具有良好的分辨率來(lái)捕捉電流的細微變化，以及足夠的帶寬來(lái)捕捉電流中的任何瞬態(tài)或瞬時(shí)變化。

2. 電流監測解決方案

根據所使用的感測元件（外部/內部）和輸出類(lèi)型（模擬/數字），有不同類(lèi)型的電流監測解決方案。

外部檢測元件

熱插拔控制器使用電源路徑中的外部Rsense來(lái)感測負載電流，Rsense兩端的電壓降由內部高側電流感測放大器放大，然后作為模擬電流輸出被驅動(dòng)到外部模數轉換器ADC，或者被饋送到內部ADC，圖9-1顯示了使用外部感測元件的電流監測。

圖9-1：使用外部檢測元件的電流監測方框圖

需要根據熱插拔控制器數據表中指定的最大系統負載電流Imax和最大感測電壓Vsensemax來(lái)選擇Rsense值，公式1基于以上計算Rsense：

電流感測精度是Rsense容限和電流感測放大器增益/偏移誤差及其相關(guān)溫度系數的函數，通過(guò)使用精確的負載電流參考進(jìn)行系統級校準，可以將誤差降至最低，但不可能消除溫度漂移。選擇溫度系數較低的感測電阻器，如薄膜或大塊金屬，其他誤差源主要源于電流感測路徑周?chē)?a target="_blank">PCB布局不當，為了獲得最佳結果，使用開(kāi)爾文感應連接。

基于外部電流感測電阻的解決方案的主要優(yōu)點(diǎn)是，當在寬范圍內感測電流時(shí)能夠實(shí)現高線(xiàn)性和高精度。外部電流感測電阻器的缺點(diǎn)是增加了成本和板空間，以及感測電阻中的額外電壓降、功耗和自發(fā)熱。

內部檢測元件

eFuse和智能高端開(kāi)關(guān)使用內部電流感應電路，不需要電源路徑中的外部組件進(jìn)行電流感應。電流感測通常使用某種形式的電流鏡電路來(lái)實(shí)現，該電路驅動(dòng)電流監測器輸出引腳上的一部分主FET電流。圖9-2顯示了eFuse的框圖，它使用集成電流感測電路在專(zhuān)用引腳（IMON）上提供模擬電流監測信號輸出。

圖9-2：eFuse電流監測內部方框圖

像一些特別的eFuse，在兩用引腳（ILIM）上提供模擬電流監測器輸出，該引腳主要用于設置可調電流限制，如圖9-3所示，電流限制電阻器（RILM）兩端的電壓降提供了輸出負載電流的測量值。

集成電流感測解決方案的精度由與內部電路相關(guān)的失配和其他誤差決定，內部電路在出廠(chǎng)時(shí)進(jìn)行了微調，以在負載電流和工作溫度范圍內提供高精度。部分eFuse還采用了像放大器這樣的電路技術(shù)，以最大限度地減少偏移誤差和隨時(shí)間、溫度的漂移。工廠(chǎng)微調和其他電路技術(shù)的使用最大限度地減少了對最終系統中任何額外校準的需要，以實(shí)現高度準確的電流測量。與基于外部感測電阻器的解決方案相比，內部電流感測方案通過(guò)消除與感測電阻器相關(guān)的額外成本、尺寸、電壓降和加熱而提供顯著(zhù)優(yōu)勢。

圖9-3：采用放大器技術(shù)提高精度的eFuse內部方框圖

3.模擬輸出類(lèi)型

輸出是與負載電流成比例的模擬電流信號，方程2和方程3表示輸出負載電流Iload和電流監測信號IMON之間的關(guān)系：

其中，GMON為電流監測增益，或者：

其中，KMON為電流感比值。

將電阻器（RMON）從電流輸出引腳（IMON）連接到GND將感測電流轉換為電壓，如等式4所示：

為了確保最大限度地利用測量的動(dòng)態(tài)范圍，選擇RMON的應該使滿(mǎn)刻度負載電流下的VMON與ADC或其輸入的任何其他下游電路的滿(mǎn)刻度電壓輸入相匹配。通過(guò)使用更大的RMON可以提高低電流下的靈敏度/分辨率，因為它相對于噪聲增加了可用的信號電壓。但是較大的RMON也會(huì )增加較高電流下的電壓擺動(dòng)，并且由于IMON引腳驅動(dòng)器電路上的凈空限制，可能導致接近滿(mǎn)刻度的削波/飽和。

4. 高/低電流數字指示器

許多解決方案通過(guò)將負載電流與特定閾值進(jìn)行比較來(lái)確認電流大小，并提供一個(gè)數字輸出標志引腳。像智能高側開(kāi)關(guān)提供了一個(gè)漏極開(kāi)路狀態(tài)輸出引腳，以標記系統已發(fā)生負載開(kāi)路。開(kāi)路或輕負載檢測需要考慮的一個(gè)重要方面是輸出電流的正常工作范圍，為了避免錯誤的故障報告，標稱(chēng)工作范圍需要高于數據表中列出的最大空載檢測閾值。

此外，有的eFuse的集成模擬電流監測器輸出（IMON）可以與集成比較器（PG、PGTH）一起重新調整用途，以提供開(kāi)路或輕負載檢測功能，如圖9-4所示。通過(guò)添加外部比較器，也可以使用具有模擬電流監測器輸出的其他設備實(shí)現開(kāi)路或輕負載檢測。

圖9-4：使用IMON、PGTH和PG進(jìn)行開(kāi)路或輕負荷檢測/使用外部比較器進(jìn)行開(kāi)路或輕負載檢測

5. 數字遙測輸出類(lèi)型

數字電流監測的另一種方法是遙測，這種電流監測的數字方法包括感測模擬電流，并通過(guò)集成ADC將其轉換為數字信號，然后將其存儲在內部數字寄存器中。然后使用諸如I2C或串行外圍接口總線(xiàn)之類(lèi)的數字總線(xiàn)將數據報告回中央處理單元。圖9-5方框圖中突出顯示的部分展示了電流的感測和模數轉換。

圖9-5：LM5066I的內部方框圖

存儲的模擬電流信息的數據格式可以由PMBus等行業(yè)標準定義，也可以根據設備進(jìn)行自定義。PMBus是一種普遍的規范，有助于通過(guò)I2C標準化遙測數據的讀取和寫(xiě)入，PMBus還定義了用于存儲功率和電壓數據的數據格式。

6. 電流監控相關(guān)考慮點(diǎn)

以下是在為應用場(chǎng)景選擇電流監控解決方案時(shí)應考慮的一些關(guān)鍵考慮點(diǎn)：

動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍是指電流監測器電路能夠準確感知和報告的負載電流范圍，如圖9-6所示，在所支持的動(dòng)態(tài)范圍之外的信號將具有顯著(zhù)更高的測量誤差，或者可能根本沒(méi)有被感測到。動(dòng)態(tài)范圍通常在上端受到電流監控放大器電路的凈空的限制，而在下端受到噪聲和偏移誤差的限制，通常在范圍的低端或高端的精度之間存在權衡。在電路中使用更高的增益或更大的感測電阻器通過(guò)增加相對于偏移和噪聲的信號來(lái)改善接近零標度的性能，但是會(huì )導致接近滿(mǎn)標度的輸出的削波和/或飽和。相反，使用較低的增益或較小的感測電阻器可以確保接近滿(mǎn)標度時(shí)更好的線(xiàn)性度和精度，但在接近零標度時(shí)會(huì )導致較差的測量精度。因為測量由偏移和噪聲主導，一些電流監測設備使用斬波穩定放大器、自動(dòng)調零放大器和多點(diǎn)微調等技術(shù)，以最大限度地減少偏移誤差，并提高低端范圍的性能。

圖9-6：電流監控性能規范

直流精度

直流精度是電流監測器輸出與預期值的絕對誤差/偏差的度量，用%FS或%讀數表示。誤差是諸如增益誤差、偏移誤差和非線(xiàn)性的分量的組合，雖然增益誤差在較高電流下占主導地位，但偏移誤差在較低電流下占支配地位。對于具有外部電流檢測電阻器的設備，檢測電阻器的公差也會(huì )導致整體電流監測誤差，需要考慮誤差分量的溫度系數，以確定溫度測量的準確性。

分辨率/靈敏度

分辨率/靈敏度是監控電路能夠感應到的最小電流變化的度量，通常在分辨率和動(dòng)態(tài)范圍之間進(jìn)行權衡。對于模擬監控解決方案，更高的靈敏度意味著(zhù)傳感電路的增益更高，對于數字輸出解決方案，更高的靈敏度還取決于A(yíng)DC的分辨率。

帶寬

帶寬是監控電路能夠感應到的電流最快變化的度量，電路帶寬內的任何信號都將被準確地再現，而帶寬外的信號將被顯著(zhù)衰減，從而導致錯誤的測量，帶寬還決定了電路檢測電流瞬時(shí)變化（如負載瞬態(tài)）的能力，如圖9-7所示。

圖9-7：電流監測性能不足帶來(lái)的系統影響

延遲

延遲是負載電流的任何變化與該變化反映在測量輸出中的時(shí)間之間的延遲的度量，延遲通常是數字電流監測解決方案中的一個(gè)參數，是模數轉換時(shí)間和通過(guò)數字電路的傳播延遲累加。

7. 結論

表9-8列出了一些具有當前監控能力的各種電源開(kāi)關(guān)解決方案（僅作參考），除了提供電源路徑控制和保護外，熱插拔控制器、eFuse和智能高端開(kāi)關(guān)等電源開(kāi)關(guān)還可以通過(guò)執行電流監測來(lái)提供附加功能。雖然市場(chǎng)上有許多電源開(kāi)關(guān)，但在某些情況下，可以根據其集成的電流監測功能縮小選擇范圍。

表9-8：具有電流監測功能的電源開(kāi)關(guān)