引言

盡管電源管理對新式電子系統的可靠運行至關(guān)重要，但是在今天的系統中，也許仍然存在著(zhù)最后一個(gè)“盲點(diǎn)”，那就是電壓穩壓器，現在還沒(méi)有辦法直接配置或監視關(guān)鍵電源系統工作參數。數字可編程 DC/DC 轉換器已經(jīng)存在多年了，最顯著(zhù)的用途是用在具備電壓識別 (VID) 輸出電壓控制功能的電壓穩壓器模塊 (VRM) 內核電源中。但是直接從電壓穩壓器監視工作狀態(tài)信息 (尤其是監視實(shí)時(shí)電流) 的能力一直缺乏。

 數字電源系統管理的主要好處是降低了設計成本以及使產(chǎn)品更快上市。采用具備直觀(guān)圖形用戶(hù)界面 (GUI) 的全面開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以高效率地開(kāi)發(fā)復雜的多軌系統。通過(guò) GUI 而不是焊接“白色導線(xiàn)”定位點(diǎn)，這類(lèi)系統還簡(jiǎn)化了在線(xiàn)測試 (ICT) 和電路板調試。另一個(gè)好處是，由于有實(shí)時(shí)遙測數據可用，所以可以預測電源系統故障，并采取預防性措施。也許最重要的是，具備數字管理功能的 DC/DC 轉換器使設計師能夠開(kāi)發(fā)在負載點(diǎn)、電路板、機架級甚至安裝階段均能以最低能耗滿(mǎn)足目標性能 (計算速度、數據傳送速率等) 的“綠色”電源系統，從而降低了基礎設施成本和產(chǎn)品壽命期內的總體擁有成本。

需要準確、無(wú)損耗的電流測量

DC/DC 轉換器設計領(lǐng)域的進(jìn)步使得難以極大地提高效率，而且下一代電源系統將通過(guò)系統級動(dòng)態(tài)負載均衡降低功耗�？刂曝撦d點(diǎn)轉換器的算法需要準確度很高的功耗數據，以微調模型，并優(yōu)化功率分配。這正是與準確度很高的模擬電路相結合的實(shí)時(shí)遙測的顯著(zhù)優(yōu)勢。要以高精確度測量功耗，就需要用一個(gè)已知的電阻性組件測量輸出電流。盡管已校準的外部并聯(lián)電路是準確的，但是它會(huì )引入額外的功率損耗，并使轉換器更加昂貴。一種無(wú)損耗選擇是，跨電感器寄生 DC 電阻 (DCR) 測量平均壓降，這可以減少組件數量，并簡(jiǎn)化電路板布局。與 SenseFET 等其他無(wú)損耗測量方法相比，DCR 電流測量方法更加經(jīng)濟實(shí)惠，也更簡(jiǎn)單易用。DCR 方法的一個(gè)顯著(zhù)缺點(diǎn)是，電感器電阻受溫度影響很大以及難以測量準確的電感器磁芯溫度。如果沒(méi)有恰當的溫度補償，僅為 1°C 的電感器溫度變化就對應約為 0.39% 的電流測量誤差。使情況變得更糟的是，在大負載電流時(shí)，可能有幾十度的電感器自熱。下面介紹的算法 (正在申請專(zhuān)利) 可以補償所有這些問(wèn)題，而且校準后，可在整個(gè)溫度和負載電流范圍內實(shí)現好于 ±0.25% 的準確度。

 DCR 溫度補償

在靠近電感器的地方放置溫度傳感器可提供一階溫度補償。如果溫度傳感器遠離其他顯著(zhù)的熱源 (例如功率 FET)，那么溫度補償的準確度就可以提高。在大負載情況下，由于電感器的散熱，在電感器和溫度傳感器之間產(chǎn)生了瞬態(tài)和穩態(tài)熱量梯度，所檢測到的溫度并不準確地代表電感器的磁芯溫度。這種溫度梯度在圖 1 中清晰可見(jiàn)，該圖顯示了向輸出負載提供 1.8V 電壓、1.5A 電流的集成式 DC/DC 轉換器 LTC3601 的熱像。

圖 1：DC/DC 轉換器的熱像顯示了電感器實(shí)際溫度與監測點(diǎn)溫度之間的差別

此外，瞬時(shí)加熱 / 冷卻效應也必須考慮，以當負載電流變化快于電感器熱傳遞時(shí)間常數時(shí)減小所引入的瞬態(tài)誤差。這兩個(gè)問(wèn)題均可以通過(guò)引入兩個(gè)額外的參數來(lái)解決：從電感器磁芯到板上溫度傳感器的熱阻 ；電感器的熱量時(shí)間常數 。熱阻 用來(lái)在給定電感器功耗  的情況下，計算所測得的溫度  與電感器內部溫度  之間的穩態(tài)溫度差。

                               (1.1) 

附加的溫度上升用來(lái)更準確地估計電感器的 DC 電阻 ：

                   (1.2)

在以上等式中，是電感器的 DC 壓降，是輸出電流的均方根 (RMS) 值， 是電感器在參考溫度  上的 DC 電阻，是該電阻的溫度系數。因為大多數電感器都是用銅制成的，所以我們可以預期，溫度系數接近 。在給定的  值時(shí)，其余參數 和  在溫度不變時(shí)可以?xún)H用兩個(gè)負載電流校準。

                            (1.3) 

                     (1.4)

針對每一個(gè)負載電流記錄下電感器電阻 、功耗 和所測得的溫度 )。為了在計算  時(shí)提高準確度，兩個(gè)負載電流應該選擇為  和  的系統電流范圍。

電感器的熱量時(shí)間常數  用來(lái)模擬電感器的一階熱量響應，并可在負載瞬態(tài)時(shí)用來(lái)準確地補償 DCR。從小負載電流向大負載電流轉變時(shí)，電感器電阻由于自熱而增大。如果我們運用從小電流  到大電流  的單個(gè)負載階躍，那么電感器兩端的電壓將在瞬間從  轉變到 ，然后緩慢接近 。這里  是在給定溫度和負載電流  時(shí)的穩態(tài)電阻，而由于電感器自熱， 在  時(shí)略高于 DC 電阻。請注意，電氣時(shí)間常數  比熱量時(shí)間常數小幾個(gè)量級，而“瞬間”是相對于熱量時(shí)間常數而言的。兩個(gè)穩定區給出了數據集 (I₁、T₁、R₁、P₁) 和 (I₂、T₂、R₂、P₂)，兩點(diǎn)校準方法 (1.3-1.4) 用來(lái)抽取穩態(tài)參數  和  (考慮之前得出的“平均” )。運用穩態(tài)表達式 (1.2) 算出的相對電流誤差將在負載階躍后立即達到峰值，然后依照電感器熱量時(shí)間常數  衰減到零。

                  (1.5) 

時(shí)間常數 用最佳擬合曲線(xiàn)  的斜率計算：

                                   (1.6) 

總之，校準 DCR 電流測量值的全部所需僅為單個(gè)負載電流階躍。響應的穩定部分給出了熱阻   和標稱(chēng) DC 電阻 R₀，穩定特性用來(lái)測量電感器時(shí)間常數 。一旦得出特定系統的自熱參數  和 ，那么就僅剩電感器 DC 電阻 R₀ 需要校準，以補償電感器容限。

用 LTC2974 實(shí)現高精確度數字遙測

凌力爾特新推出的 LTC2974 是一款 4 通道系統監察器，包含一個(gè) 16 位數據采集系統，具備同類(lèi)最佳的 ±0.25% 總未調誤差。該器件針對所有 4 個(gè)被監視的 DC/DC 通道提供輸出電壓、電流及溫度的數字回讀，采用業(yè)界標準的 PMBus 接口。電流測量采用上述 DCR 溫度補償算法，與之前的解決方案相比 ，實(shí)現了較高量級的準確度 (圖 2)。LTC2974 整合了遙測與精確快速的硬件監察、微調 DAC 和一套全面的排序及跟蹤選項，提供了很大的系統靈活性。LTC2974 高度可靠的片上 EEPROM 使該器件無(wú)需開(kāi)發(fā)軟件，就實(shí)現了徹底的自主運行。LTC2974 包括通過(guò)中斷標記與“黑盒子”記錄器實(shí)現的故障記錄功能，該記錄器存儲發(fā)生故障之前瞬間轉換器的工作狀態(tài)參數。凌力爾特的 LTpowerPlay^TM 開(kāi)發(fā)軟件及其 GUI 界面為多軌系統的開(kāi)發(fā)提供了方便。

 圖 2：用于 DC/DC 轉換器的 LTC2974在整個(gè)溫度及輸出電流范圍內的總測量誤差

結論

準確測量負載點(diǎn)實(shí)時(shí)功耗使人們能夠設計出以最低能耗滿(mǎn)足設計目標的智能系統。精確、無(wú)損耗的電流測量是優(yōu)化大型系統功耗的關(guān)鍵，且使人們能夠開(kāi)發(fā)出準確的模型。能在系統“健康”狀況診斷中使用實(shí)時(shí)功耗遙測是至關(guān)重要的，可用來(lái)防止可能的災難性電源系統故障。