引言

由于今天電子產(chǎn)品設(shè)計的復(fù)雜性不斷提高，所以管理功耗和優(yōu)化總體效率變得更加重要。從工業(yè)和電信應(yīng)用到汽車和消費電子產(chǎn)品的所有產(chǎn)品中，準(zhǔn)確的電源電壓和電流監(jiān)視對節(jié)省功率和保證可靠性都是至關(guān)重要的。

監(jiān)視至一個系統(tǒng)的電源輸入需要多種組件。為了測量電流，需要一個檢測電阻和放大器，而且如果放大器共模范圍擴展到正的電源軌并將其輸出轉(zhuǎn)換到地是最方便的。需要精確電阻分壓器來測量電壓，而且如果有多于 1 個電壓要監(jiān)視，那么還必須給這個組件表增加一個多路復(fù)用器。下一個是具有精確基準(zhǔn)和一些與微處理器連接途徑的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC），同時也許與相鄰 IC 共享 I/O 線。由于找到合適組件的總體復(fù)雜性和困難，電源監(jiān)視最好的方法就是集成式解決方案。

LTC4151 為發(fā)揮這一作用而開發(fā)。它含有形成一個完整電源監(jiān)視系統(tǒng)所需的功能構(gòu)件 （參見圖 1）。它在 7~80V 的范圍內(nèi)工作，同時監(jiān)視電源軌的電流、它自己的電源電壓和一個附加的電壓輸入。為實現(xiàn)靈活性，檢測電阻是外部的，從而允許 LTC4151 準(zhǔn)確地監(jiān)視范圍從 mA 到 A 或更大的電流。該 ADC 具有 12 位分辨率和 1% 的總未調(diào)整電壓誤差以及 1.25% 總未調(diào)整電流誤差。外部 ADIN 輸入的總未調(diào)整誤差 （TUE） 僅為 0.75%。數(shù)字通信通過 I2C 進(jìn)行，有 9 個設(shè)備地址選擇。

圖1 簡化的 LTC4151 方框圖

由于寬工作范圍，LTC4151 在從電信到汽車的系統(tǒng)中很有用。通過在一個單芯片解決方案中集成所有必需的功能構(gòu)件，電源監(jiān)視在分立解決方案由于空間或成本而不可能的應(yīng)用中變得切實可行了。

簡單與復(fù)雜

LTC4151 應(yīng)用于很多復(fù)雜、空間受限和低壓的應(yīng)用，包括 RAID 系統(tǒng)、電信和工業(yè)計算機/控制系統(tǒng)。幸運的是，這個器件僅需要少數(shù)簡單連接，并采用了小型 MS10 或纖巧 3mm x 3mm DFN 封裝。視系統(tǒng)而定，該監(jiān)視 IC 可位于背板或可插拔板卡上；圖 2 是后者的一個例子，顯示 LTC4151 監(jiān)視至 12V DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入電流和電壓。這里，低壓輸入 ADIN 用來測量該轉(zhuǎn)換器的 5V 輸出，而 I2C 直接連接到微處理器。所需要的外部組件僅為一個檢測電阻和兩個總線上拉電阻。

圖 2 LTC4151 在 12V 應(yīng)用中使高端檢測變得簡單

LTC4151 提供相對簡單直接的連接，同時遠(yuǎn)離與低端檢測有關(guān)的風(fēng)險。由于固有的簡單性，低端檢測 （檢測電阻與負(fù)載地串聯(lián)） 是一個有吸引力的監(jiān)視電源電流的方法。通過允許 ADC 直接測量檢測電阻的壓降，或用一個簡單的前置放大器，它去除了對特殊放大器的需求。不幸的是，極少有負(fù)載真正以這種方式浮動而允許接地通路開路。這個電路還帶來一種潛在安全危害，因為一個出故障或斷接的低端檢測電阻允許負(fù)載地升高至滿電源電壓。

由于這些原因，幾乎總是優(yōu)先選擇高端檢測，然而高端檢測很難實現(xiàn)。這是因為 ADC 必須測量連接到正軌的檢測電阻兩端的壓降，該正軌常常為遠(yuǎn)超出 ADC 本身范圍的電壓。此外，小的檢測電阻壓降 （在這種情況下為 20mV/A） 就一個 12 位轉(zhuǎn)換器而言太小，因為動態(tài)范圍的大部分都浪費了。需要一個特殊放大器，一個能檢測高正電壓軌同時給以地為基準(zhǔn)的 ADC 提供輸出的放大器。LTC4151 不僅解決了在高壓軌測量的問題，而且由于檢測放大器的 25 倍增益，該 12 位轉(zhuǎn)換器還完成了 16-1/2 位轉(zhuǎn)換器的工作。

“正壓”非常出色

高端電流監(jiān)視的問題由于電源電壓提高而加重。LTC4151 具有本身值得注意的規(guī)格，考慮一下其它監(jiān)視解決方案是多么棘手和受限，而 LTC4151 以高達(dá) +80V 工作！

就 7V 至 80V 的電源而言， LTC4151 保持高精確度，從而涵蓋具有 12V、24V 或 48V 電源電壓的應(yīng)用，包括服務(wù)器、海量存儲設(shè)備和很多其它系統(tǒng)。圖 3 顯示了在一個 48V 應(yīng)用中的 LTC4151。ADIN 通過測量一個二極管的壓降監(jiān)視溫度。電源引腳的絕對最大電壓和兩個檢測輸入引腳是 90V，這幫助該 IC 耐受高壓瞬態(tài)而不被損壞。這種寬輸入電壓范圍允許 LTC4151 直接連接到高壓電源，而無需第二個電源。

圖 3 LTC4151 在 48V 應(yīng)用中監(jiān)視電流、電壓和溫度

高壓應(yīng)用會歡迎 LTC4151 提供的準(zhǔn)確度。測量 SENSE 引腳上的電流時，最大總的未調(diào)整誤差（TUE） 為 ±1.25%。滿標(biāo)度電流檢測電壓為 81.92mV，且具有 20uV/LSB 的分辨率。這種準(zhǔn)確度就大多數(shù)應(yīng)用而言是足夠充分的，就算這不是好于分立解決方案的準(zhǔn)確度，也是可與其比較的。通過內(nèi)部精確衰減器測量 VIN 上的電壓時，TUE 為 ±1%，且具有 102.4V 的滿標(biāo)度電壓和 25mV/LSB 的分辨率，從而在更低和更高的電壓上提供足夠的分辨能力。最后，在 ADIN 引腳獲取電壓讀數(shù)時，TUE 為 ±0.75%，且具有 2.048V 的滿標(biāo)度電壓和 25mV/LSB 的分辨率。這些準(zhǔn)確度數(shù)字在 -40°C 至 85°C 的工業(yè)溫度范圍內(nèi)都是有效的。

某些“負(fù)壓”也可接納

有些應(yīng)用，尤其在電信系統(tǒng)中，于負(fù)電壓工作并消耗大量電流，在這類應(yīng)用中，電源監(jiān)視也許不那么簡單直接。LTC4151 能夠很平等地監(jiān)視正和負(fù)電壓。盡管 LTC4151 具有一個停機引腳以在低功率應(yīng)用中將靜態(tài)電流降至 120uA （在 12V），但是 LTC4151-1 版本用提供簡單光隔離的第二個 I2C 數(shù)據(jù)引腳取代了這個引腳，從而方便了該器件在高負(fù)壓應(yīng)用中的使用。光耦合器的使用允許主控制器位于來自電源監(jiān)視器的不同地電平上。

圖 4 顯示 LTC4151-1 如何連接到一個 -48V AdvancedTCA （ATCA） 應(yīng)用中的光耦合器。一條分路 I2C 數(shù)據(jù)線、SDAI （數(shù)據(jù)輸入） 引腳和獨特的 SDAO# （負(fù)數(shù)據(jù)輸出） 引腳方便地消除了為雙向傳輸和數(shù)據(jù)接收而使用 I2C 分路器或合并器的需求。由于所有 I2C 信號都被箝位，而且上拉電阻都能夠直接連接到 -48V 電源，所以也消除了對一個單獨上拉電源的需求。注意，Vin 端的電壓在檢測電阻的上行側(cè)測量，以實現(xiàn)更高的準(zhǔn)確度，而且假定 LTC4151-1 的靜態(tài)電流在與 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的負(fù)載相比時可以忽略不計，轉(zhuǎn)換器負(fù)載就 ATCA 應(yīng)用而言通常在安培量級。該圖還顯示怎樣能用 ADIN 引腳來利用一個熱敏電阻測量線路板溫度。

圖 4 LTC4151 與 -48V ATCA 應(yīng)用中的隔離勢壘連接

不管一個應(yīng)用是否需要隔離，LTC4151 都在返回來向輪詢主機報告時提供一些便利的功能。I2C 接口具有一個阻塞總線復(fù)位定時器，該定時器復(fù)位內(nèi)部 I2C 狀態(tài)機，以在 I2C 信號保持低電平超過 33ms （阻塞總線狀態(tài)） 時允許恢復(fù)正常通信。除此以外，LTC4151 還可以連續(xù)或以單個瞬像模式報告數(shù)據(jù)。在連續(xù)掃描模式，LTC4151 以 7.5Hz 的刷新率順序測量 SENSE 引腳之間、VIN 和 ADIN 端的電壓。在瞬像模式，主控制器指示 LTC4151 在任何信號端執(zhí)行一次性測量，非常適用于僅需要偶爾測量輸入電源的應(yīng)用。I2C 接口和兩種報告模式一起使 LTC4151 非常適合于數(shù)字電源監(jiān)視。

結(jié)論

LTC4151 是一個通用型電源監(jiān)視器，具有幫助應(yīng)對種類繁多應(yīng)用的功能。采用分立和其它電源監(jiān)視器的傳統(tǒng)實施方案在復(fù)雜性、功能性或性能方面往往達(dá)不到要求，但是 LTC4151 通過提供一個簡單且非常有效的方法以監(jiān)視電流、電壓和溫度，從而有能力應(yīng)對這種情況。包括內(nèi)部檢測放大器、增量累加 ADC 和 I2C 接口在內(nèi)的高性能基本構(gòu)件確保數(shù)字讀數(shù)準(zhǔn)確和精確。高壓應(yīng)用可以利用 90V 絕對最大額定值，同時該 IC 的全部靈活性適用于用戶監(jiān)視負(fù)電壓，包括一個方便隔離的選項。確實，LTC4151 的好處難以量度，因為它允許設(shè)計師在實現(xiàn)一個可靠的電源監(jiān)視電路上花更少的時間，因此實現(xiàn)這樣的電路不再是一個難以承擔(dān)的任務(wù)了。

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