高精度功率與能量監(jiān)測芯片LTC2947：設(shè)計(jì)與應(yīng)用指南

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，精確測量功率和能量是至關(guān)重要的，尤其是在服務(wù)器、電信基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)設(shè)備、電動(dòng)汽車和光伏等領(lǐng)域。LTC2947作為一款高精度的功率和能量監(jiān)測芯片，為工程師們提供了強(qiáng)大而可靠的解決方案。下面我們就來詳細(xì)了解一下這款芯片。

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一、產(chǎn)品概述

LTC2947是一款具有內(nèi)部感應(yīng)電阻的高精度功率和能量監(jiān)測器，支持高達(dá)±30A的電流和最高15V的電壓。它能夠測量電流、電壓、功率、電荷、能量和運(yùn)行時(shí)間等七個(gè)參數(shù)，還能監(jiān)測自身芯片溫度。通過三個(gè)無延遲ΔΣ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），可同時(shí)精確測量電流、電壓和功率，并通過外部時(shí)鐘或板載振蕩器計(jì)算累積的電荷、能量和時(shí)間。這些測量值存儲在內(nèi)部寄存器中，可通過可配置的I2C或SPI串行接口讀取。

二、產(chǎn)品特性

1. 高精度測量
   • 電流測量范圍為±30A，偏移低至9mA，內(nèi)置300μΩ感應(yīng)電阻，電流和電荷測量精度達(dá)1%，功率和能量測量精度為1.2%，電壓測量精度為0.5%。
   • 三個(gè)無延遲ΔΣ ADC確保了電壓和電流的精確測量，高帶寬模擬乘法實(shí)現(xiàn)了功率的精確測量。
2. 寬輸入范圍：輸入電壓范圍為0V至15V，且與電源電壓無關(guān)。
3. 閾值報(bào)警功能：可設(shè)置各測量參數(shù)的高低閾值，當(dāng)閾值被超過時(shí)會(huì)發(fā)出警報(bào)，并存儲最大值和最小值。
4. 低功耗模式：關(guān)機(jī)模式下電流 (I_{0}<10 mu A)，有效降低功耗。
5. 接口兼容性：支持 (I^{2} C / SPI) 兼容接口，方便與其他設(shè)備通信。
6. 封裝形式：采用32引腳4mm × 6mm QFN封裝，節(jié)省空間。

三、工作模式

1. 上電模式：當(dāng)所有電源電壓超過欠壓鎖定（UVLO）閾值時(shí)，LTC2947啟動(dòng)，將所有寄存器設(shè)置為默認(rèn)狀態(tài)，進(jìn)入空閑模式，等待主機(jī)進(jìn)一步指令。啟動(dòng)并進(jìn)入空閑模式約需100ms。
2. 空閑模式：所有內(nèi)部電路處于活動(dòng)狀態(tài)，但不進(jìn)行測量?？赏ㄟ^操作控制寄存器進(jìn)入單次測量、連續(xù)測量或關(guān)機(jī)模式。
3. 單次測量模式（SSHOT）：設(shè)置操作控制寄存器中的SSHOT位后，LTC2947進(jìn)行四次測量（電流、電壓、功率和溫度），更新相應(yīng)寄存器和最小/最大值及閾值寄存器，不進(jìn)行時(shí)間測量，電荷和能量寄存器不更新。完成測量后清除SSHOT位，設(shè)置狀態(tài)寄存器中的UPDATE位，返回空閑模式。單次測量周期為100ms，主機(jī)可通過輪詢狀態(tài)寄存器中的UPDATE位檢測測量周期的完成情況。
4. 連續(xù)測量模式（CONT）：設(shè)置操作控制寄存器中的CONT位后，LTC2947重復(fù)測量電流、電壓、功率和溫度，重新計(jì)算能量、電荷和時(shí)間，并更新最小/最大值跟蹤和閾值寄存器。每個(gè)測量周期約100ms，電流和功率ADC在此模式下連續(xù)運(yùn)行，確保不會(huì)遺漏電荷或能量。LTC2947將保持連續(xù)模式，直到用戶重置操作控制寄存器中的CONT位。若在連續(xù)模式下設(shè)置SSHOT位，LTC2947將完成當(dāng)前測量周期后進(jìn)入單次測量模式，并清除操作控制寄存器中的CONT位。
5. 關(guān)機(jī)模式（SHDN）：設(shè)置操作控制寄存器中的SHDN位后，LTC2947進(jìn)入關(guān)機(jī)模式，電源電流降至約10μA。若設(shè)備處于測量周期中，無論是單次測量還是連續(xù)模式，都會(huì)完成當(dāng)前周期后進(jìn)入關(guān)機(jī)模式，并清除SSHOT或CONT位。關(guān)機(jī)模式會(huì)清除電壓、電流和溫度測量結(jié)果，但保留累積的電荷和能量值以及所有閾值和跟蹤值。在關(guān)機(jī)模式下，LTC2947繼續(xù)監(jiān)測串行接口，在SPI模式下，當(dāng)CS引腳拉低時(shí)從關(guān)機(jī)模式轉(zhuǎn)換到空閑模式；在 (I^{2} C) 模式下，確認(rèn)正確的從地址后轉(zhuǎn)換到空閑模式。從關(guān)機(jī)模式喚醒約需100ms，在此期間，忽略寄存器寫入操作，對寄存器讀取返回0x01。主機(jī)可通過輪詢操作控制寄存器并觀察0x00響應(yīng)來確定LTC2947已喚醒并進(jìn)入空閑模式。

四、測量原理

1. 電流、電壓和溫度測量
   • 電流測量：通過內(nèi)部感應(yīng)電阻的電流由一個(gè)ΔΣ ADC測量，測量范圍為±30A，分辨率為3mA。共模電壓范圍從GND以下100mV到15.5V，與AVCC電源電壓無關(guān)。該ADC采用一階架構(gòu)和連續(xù)偏移校準(zhǔn)，確保所有輸入樣本以相等權(quán)重平均，不會(huì)遺漏任何樣本，采樣率為10MHz，每100ms報(bào)告一個(gè)新的平均值。
   • 電壓和溫度測量：由另一個(gè)ADC順序測量VP和VM引腳之間的差分電壓以及溫度。電壓測量分辨率為2mV，溫度測量分辨率為0.204°C，差分電壓測量范圍為 -0.3V至15.5V，與電源電壓無關(guān)。溫度測量值不僅報(bào)告給主機(jī)，還用于補(bǔ)償內(nèi)部電流感應(yīng)電阻的溫度漂移，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電流測量。
2. 功率測量：LTC2947使用第三個(gè)ADC在5MHz的全采樣頻率下對電壓（VP - VM）和電流進(jìn)行乘法運(yùn)算，即使在100ms的轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)電流和電壓發(fā)生同相變化，也能保持精度，適用于從具有顯著阻抗的電源（如電池）獲取功率的情況。
3. 電荷、能量測量和累積時(shí)間：LTC2947通過對電流和功率測量值進(jìn)行時(shí)間積分來計(jì)算流向或流出負(fù)載的電荷和能量，并跟蹤用于積分的總累積時(shí)間。積分時(shí)間基準(zhǔn)可以由內(nèi)部時(shí)鐘、連接到CLKI的外部時(shí)鐘或連接到CLKI和CLKO的外部晶體提供。對于電荷、能量和時(shí)間，LTC2947提供兩組寄存器，每組寄存器可分別根據(jù)測量電流的符號、GPIO引腳的電平或控制寄存器的設(shè)置進(jìn)行累積。還可以設(shè)置最小電流閾值，低于該閾值時(shí)停止積分。

五、接口與配置

1. 數(shù)字接口選擇：LTC2947的串行接口可在SPI或 (I^{2} C) 模式下工作。選擇SPI模式時(shí)，將AD0引腳連接到OVDD；選擇 (I^{2} C) 模式時(shí)，根據(jù)表3連接AD0和AD1引腳以配置不同的 (I^{2} C) 地址。
2. SPI模式
   • 物理層：LTC2947作為SPI從設(shè)備，AD1引腳作為CS（片選，低電平有效）。邏輯輸入閾值和輸出擺幅由OVDD引腳的電壓設(shè)置，建議從OVDD到DGND連接一個(gè)1μF的旁路電容。SDI引腳通常稱為MOSI，SDO引腳稱為MISO。LTC2947在SCL的上升沿采樣SDI數(shù)據(jù)，在SCL的下降沿改變SDO數(shù)據(jù)（ (CPHA =0) ， (CPOL =0) ）。
   • 數(shù)據(jù)層：所有發(fā)送到LTC2947的數(shù)據(jù)以8位字節(jié)形式傳輸，MSB優(yōu)先。LTC2947以相同格式返回?cái)?shù)據(jù)，可在一次事務(wù)中發(fā)送多個(gè)字節(jié)。
   • 寫協(xié)議：主機(jī)通過在事務(wù)中發(fā)送0x00作為第一個(gè)字節(jié)，然后發(fā)送要寫入的第一個(gè)寄存器的地址，后續(xù)字節(jié)將寫入該地址。LTC2947在接收到每個(gè)字節(jié)后遞增地址指針，可在一次事務(wù)中寫入多個(gè)字節(jié)，不完整的字節(jié)將被丟棄。
   • 讀協(xié)議：主機(jī)通過在事務(wù)中發(fā)送0x01作為第一個(gè)字節(jié)，然后發(fā)送要讀取的第一個(gè)寄存器的地址，LTC2947從該地址開始發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)，發(fā)送每個(gè)字節(jié)后遞增地址指針。可以讀取任意數(shù)量的字節(jié)，若地址指針達(dá)到0xFF，將回滾到0x00。LTC2947忽略寄存器地址之后SDI線上的任何數(shù)據(jù)。
   • SPI警報(bào)處理：LTC2947可配置為在各種事件發(fā)生時(shí)通過ALERT引腳生成警報(bào)。啟用警報(bào)時(shí)，設(shè)置警報(bào)主控制使能寄存器（0xE8）[0]中的ALERTBEN位（默認(rèn)設(shè)置），通過清除掩碼寄存器（地址0x88至0x8F）中的位來選擇觸發(fā)警報(bào)的事件。若警報(bào)啟用，相應(yīng)事件會(huì)使ALERT引腳拉低。在SPI模式下，主機(jī)必須讀取狀態(tài)、閾值和溢出警報(bào)寄存器（0x80至0x87）以釋放ALERT引腳。
3. I2C模式
   • I2C設(shè)備尋址：若AD0在上電時(shí)未拉高，LTC2947工作在 (I^{2} C) 模式。通過連接AD1和AD0引腳可配置不同的 (I^{2} C) 地址。LTC2947在每次 (I^{2} C) 事務(wù)開始時(shí)檢查AD0和AD1引腳，并響應(yīng)相應(yīng)的 (I^{2} C) 地址。
   • 起始和停止條件：當(dāng) (I^{2} C) 總線空閑時(shí)，SCL和SDA均處于高電平狀態(tài)。主機(jī)通過在SCL保持高電平時(shí)將SDA從高電平轉(zhuǎn)換為低電平來發(fā)出傳輸開始的起始條件；當(dāng)主機(jī)完成與從設(shè)備的通信后，通過在SCL保持高電平時(shí)將SDA從低電平轉(zhuǎn)換為高電平來發(fā)出停止條件，此時(shí)總線可進(jìn)行另一次傳輸。
   • 總線卡住復(fù)位：LTC2947的 (I^{2} C) 接口包含一個(gè)總線卡住定時(shí)器，防止在傳輸過程中SCL信號中斷時(shí)總線線路被無限期拉低。定時(shí)器在SCL或SDI為低電平時(shí)啟動(dòng)，在SCL和SDI均為高電平時(shí)復(fù)位。若SCL或SDI保持低電平超過50ms，總線卡住定時(shí)器將復(fù)位內(nèi)部 (I^{2} C) 接口以釋放總線，正常通信將在下次起始命令時(shí)恢復(fù)。
   • 確認(rèn)信號：確認(rèn)信號用于主機(jī)和從設(shè)備之間的握手。LTC2947在接收數(shù)據(jù)時(shí)，每第九個(gè)時(shí)鐘周期將SDA線拉低以確認(rèn)每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)。若從設(shè)備未通過保持SDA高電平進(jìn)行確認(rèn)，主機(jī)應(yīng)通過生成停止條件中止傳輸。同樣，當(dāng)主機(jī)從從設(shè)備接收數(shù)據(jù)時(shí)，必須每第九個(gè)時(shí)鐘周期將SDA線拉低以生成確認(rèn)脈沖。主機(jī)接收最后一個(gè)字節(jié)后，可保持SDA線高電平（不確認(rèn)）并發(fā)出停止條件以終止傳輸。
   • 寫協(xié)議：主機(jī)以起始條件開始寫操作，隨后發(fā)送7位從設(shè)備地址，R/W位設(shè)置為0。若從設(shè)備地址與AD0/AD1引腳編程的地址匹配，LTC2947確認(rèn)地址字節(jié)。主機(jī)然后發(fā)送一個(gè)寄存器地址字節(jié)，指示要寫入的內(nèi)部寄存器。LTC2947再次確認(rèn)并將寄存器地址鎖存到其內(nèi)部寄存器地址指針中。主機(jī)隨后發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)，LTC2947確認(rèn)并將數(shù)據(jù)寫入所選的內(nèi)部寄存器。寄存器地址指針在每個(gè)字節(jié)確認(rèn)后自動(dòng)遞增。當(dāng)主機(jī)發(fā)送停止條件時(shí)，寫操作終止，寄存器地址指針復(fù)位到00h。
   • 讀協(xié)議：主機(jī)以起始條件開始讀操作，隨后發(fā)送7位從設(shè)備地址，R/W位設(shè)置為0。若從設(shè)備地址與AD0/AD1引腳編程的地址匹配，LTC2947確認(rèn)，主機(jī)發(fā)送一個(gè)寄存器地址字節(jié)，指示要讀取的內(nèi)部寄存器。LTC2947再次確認(rèn)并將寄存器地址字節(jié)鎖存到其內(nèi)部寄存器地址指針中。主機(jī)然后發(fā)送一個(gè)重復(fù)起始條件，隨后發(fā)送相同的7位地址，R/W位現(xiàn)在設(shè)置為1。LTC2947再次確認(rèn)，然后發(fā)送請求寄存器的內(nèi)容。若主機(jī)確認(rèn)，LTC2947將遞增寄存器地址指針并發(fā)送下一個(gè)寄存器的內(nèi)容。當(dāng)主機(jī)發(fā)送停止條件時(shí)，讀操作終止，寄存器地址指針復(fù)位到00h。
   • SMBus警報(bào)響應(yīng)協(xié)議：LTC2947在 (I^{2} C) 模式下使用SMBus警報(bào)響應(yīng)協(xié)議（ARA）管理警報(bào)。啟用警報(bào)時(shí)，設(shè)置警報(bào)主控制使能寄存器（0xE8）[0]中的ALERTBEN位（默認(rèn)設(shè)置），通過清除警報(bào)掩碼寄存器（地址0x88至0x8F）中的位來選擇觸發(fā)警報(bào)的事件。若同一總線上有兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備在廣播ARA時(shí)產(chǎn)生警報(bào)，標(biāo)準(zhǔn) (I^{2} C) 仲裁會(huì)使優(yōu)先級最高（地址最低）的設(shè)備先響應(yīng)，優(yōu)先級最低（地址最高）的設(shè)備最后響應(yīng)?？偩€主機(jī)會(huì)重復(fù)警報(bào)響應(yīng)協(xié)議，直到ALERT線釋放。確定導(dǎo)致警報(bào)的設(shè)備后，主機(jī)可讀取狀態(tài)、閾值和溢出警報(bào)寄存器（0x80至0x87）以確定故障原因。在SPI模式下，讀取狀態(tài)或警報(bào)寄存器將釋放ALERT引腳；在 (I^{2} C) 模式下，使用SMBus ARA協(xié)議釋放ALERT引腳，讀取狀態(tài)或警報(bào)寄存器不會(huì)釋放ALERT。

六、寄存器配置

LTC2947通過內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置和與主機(jī)系統(tǒng)通信，寄存器地址通過串行接口訪問。寄存器映射分為兩個(gè)256字節(jié)的頁面（PAGE0和PAGE1），共496個(gè)寄存器地址，但并非所有地址都被使用。

1. 分頁機(jī)制：PAGE0包含所有數(shù)量、控制和狀態(tài)寄存器，PAGE1包含所有閾值寄存器。每個(gè)頁面的寄存器地址空間從0x00到0xEF，每個(gè)寄存器由一個(gè)8位字節(jié)的數(shù)據(jù)組成。多字節(jié)數(shù)據(jù)以小端格式存儲，即最高有效字節(jié)存儲在最低地址。一些地址為保留地址，寫入未使用的保留寄存器或非保留寄存器中的保留位可能導(dǎo)致LTC2947出現(xiàn)意外行為，向非保留寄存器中的保留位寫入0是允許的。讀取未使用的寄存器通常無害，但會(huì)返回隨機(jī)數(shù)據(jù)。地址范圍0xF0至0xFF用于控制頁面訪問，這些寄存器（OPCTL (0xF0)和PGCTL (0XFF)）必須通過單字節(jié)事務(wù)寫入，不能作為多字節(jié)寫入的一部分。
2. 頁面控制：頁面控制寄存器（0xFF）用于選擇活動(dòng)內(nèi)存頁面，0表示選擇PAGE0，1表示選擇PAGE1。
3. 操作控制：操作控制寄存器OPCTL (0xF0)用于設(shè)置LTC2947的操作模式，清除其累積和跟蹤寄存器，并重置設(shè)備。有單次測量、連續(xù)測量和關(guān)機(jī)三種操作模式。
4. 寄存器詳細(xì)說明
   • 累積結(jié)果寄存器：包含兩組累積的電荷、能量和時(shí)間寄存器。時(shí)間寄存器為無符號整數(shù)值，電荷和能量寄存器為二進(jìn)制補(bǔ)碼有符號整數(shù)值。每個(gè)累積量的值可通過將相應(yīng)寄存器值乘以對應(yīng)的LSB值來確定。若使用內(nèi)部時(shí)鐘或4MHz晶體作為參考時(shí)鐘，使用表7中的LSB值；若使用外部參考時(shí)鐘，根據(jù)表8計(jì)算LSB值。PRE(0xE9)[2:0]和DIV(0xE9)[7:3]的值應(yīng)根據(jù)時(shí)基控制部分進(jìn)行設(shè)置。
   • 非累積結(jié)果寄存器：包含電流、功率、電壓、溫度和VDVCC的測量值，所有量均表示為二進(jìn)制補(bǔ)碼有符號整數(shù)值。測量值通過乘以相應(yīng)的LSB值進(jìn)行縮放，溫度值通過將TEMP寄存器值乘以0.204°C并加上5.5°C來計(jì)算。
   • 跟蹤寄存器：跟蹤自上次復(fù)位以來所有轉(zhuǎn)換的最大值和最小值，值的縮放方式與非累積結(jié)果寄存器值相同，使用表10中的LSB值。
   • 控制寄存器：控制電荷、能量和時(shí)間的累積，配置GPIO引腳，并在使用外部時(shí)鐘時(shí)設(shè)置時(shí)基。
   • 狀態(tài)寄存器：報(bào)告寄存器更新、欠壓鎖定和參考時(shí)鐘錯(cuò)誤的狀態(tài)。上電時(shí)，所有欠壓鎖定和上電復(fù)位位[3:0]設(shè)置為1。從關(guān)機(jī)模式退出后，UVLOA[0]和UVLOD[3]位設(shè)置，其他位清除，若關(guān)機(jī)前ALERT引腳置位的原因僅為UVLOAO[0]和UVLOD[3]位，則釋放ALERT引腳。這些位可通過讀取狀態(tài)寄存器清除，清除后，若AVCC/DVCC電源引腳發(fā)生欠壓事件，欠壓寄存器和PORA將再次設(shè)置。若在警報(bào)主控制使能寄存器(0xE8)和狀態(tài)掩碼寄存器(0x88)中啟用，事件也會(huì)觸發(fā)ALERT引腳。
   • 閾值和溢出警報(bào)寄存器：當(dāng)相應(yīng)閾值被超過或寄存器溢出時(shí)設(shè)置。累積量會(huì)不斷與保護(hù)值進(jìn)行比較，以警告寄存器接近溢出，通常設(shè)置為每個(gè)寄存器最大值的90%。當(dāng)任何量超過其保護(hù)閾值時(shí)，LTC2947在狀態(tài)寄存器中設(shè)置相應(yīng)的溢出位，生成警報(bào)（若啟用），然后繼續(xù)累積。在最大電流和電壓輸入下，溢出警報(bào)發(fā)出后通常會(huì)在數(shù)小時(shí)后發(fā)生回滾，為主機(jī)提供采取行動(dòng)以避免數(shù)據(jù)丟失的時(shí)間。32位量（時(shí)間）的溢出閾值為0xE6 66 66 65 LSB，48位量（電荷、能量）的溢出閾值為±73 33 33 33 33 32 LSB。累積量的閾值和溢出比較器內(nèi)部使用浮點(diǎn)格式，可能會(huì)出現(xiàn)輕微的位級比較差異，但累積結(jié)果寄存器與其相應(yīng)閾值寄存器之間的比較精度始終優(yōu)于0.001%。警報(bào)條件必須存在至少200ms才能由警報(bào)寄存器（0x81至0x87）報(bào)告。當(dāng)配置和使用閾值和溢出警報(bào)寄存器（0x81至0x87）時(shí)，狀態(tài)（0x80）和所有警報(bào)寄存器（0x81至0x87）必須在一次多字節(jié)事務(wù)中讀取。
   • 掩碼寄存器：用于控制哪些警報(bào)觸發(fā)ALERT引腳。若掩碼寄存器位重置為0，且警報(bào)主控制使能ALERTBCTL(0xE8)寄存器中的ALERTBEN位設(shè)置為1，則相應(yīng)閾值的超過會(huì)使ALERT引腳拉低。當(dāng)狀態(tài)掩碼寄存器STATUSM的位設(shè)置為0時(shí)，狀態(tài)寄存器（0x80）的相應(yīng)位將生成警報(bào)。

七、應(yīng)用電路與布局考慮

1. 典型應(yīng)用電路：文檔中給出了12V、30A雙向功率、能量和電荷監(jiān)測的典型應(yīng)用電路，包括使用 (I^{2} C) 接口和SPI接口的電路，以及48V雙向功率、能量和電荷監(jiān)測的隔離 (I^{2} C) 接口電路。這些電路展示了LTC2947在不同電源電壓和接口要求下的應(yīng)用。
2. 布局考慮