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作者：凌力爾特公司混合信號產品應用工程師Kalin Lazarov 引言 盡管電源管理對新式電子系統(tǒng)的可靠運行至關重要，但是在今天的系統(tǒng)中，也許仍然存在著最后一個“盲點”，那就是電壓穩(wěn)壓器，現(xiàn)在還沒有辦法直接配置或監(jiān)視關鍵電源系統(tǒng)工作參數(shù)。數(shù)字可編程DC/DC轉換器已經存在多年了，最顯著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(wěn)壓器模塊 (VRM) 內核電源中。但是直接從電壓穩(wěn)壓器監(jiān)視工作狀態(tài)信息 (尤其是監(jiān)視實時電流) 的能力一直缺乏。 數(shù)字電源系統(tǒng)管理的主要好處是降低了設計成本以及使產品更快上市。采用具備直觀圖形用戶界面 (GUI) 的全面開發(fā)環(huán)境，可以高效率地開發(fā)復雜的多軌系統(tǒng)。通過GUI而不是焊接“白色導線”定位點，這類系統(tǒng)還簡化了在線測試 (ICT) 和電路板調試。另一個好處是，由于有實時遙測數(shù)據(jù)可用，所以可以預測電源系統(tǒng)故障，并采取預防性措施。也許最重要的是，具備數(shù)字管理功能的DC/DC轉換器使設計師能夠開發(fā)在負載點、電路板、機架級甚至安裝階段均能以最低能耗滿足目標性能 (計算速度、數(shù)據(jù)傳送速率等) 的“綠色”電源系統(tǒng)，從而降低了基礎設施成本和產品壽命期內的總體擁有成本。 需要準確、無損耗的電流測量 DC/DC轉換器設計領域的進步使得難以極大地提高效率，而且下一代電源系統(tǒng)將通過系統(tǒng)級動態(tài)負載均衡降低功耗。控制負載點轉換器的算法需要準確度很高的功耗數(shù)據(jù)，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時遙測的顯著優(yōu)勢。要以高精確度測量功耗，就需要用一個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，但是它會引入額外的功率損耗，并使轉換器更加昂貴。一種無損耗選擇是，跨電感器寄生DC電阻(DCR)測量平均壓降，這可以減少組件數(shù)量，并簡化電路板布局。與SenseFET等其他無損耗測量方法相比，DCR電流測量方法更加經濟實惠，也更簡單易用。DCR方法的一個顯著缺點是，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。如果沒有恰當?shù)臏囟妊a償，僅為1℃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，可能有幾十度的電感器自熱。下面介紹的算法 (正在申請專利) 可以補償所有這些問題，而且校準后，可在整個溫度和負載電流范圍內實現(xiàn)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的熱源 (例如功率FET)，那么溫度補償?shù)臏蚀_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生了瞬態(tài)和穩(wěn)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，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際溫度與監(jiān)測點溫度之間的差別 此外，瞬時加熱/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間常數(shù)時減小所引入的瞬態(tài)誤差。這兩個問題均可以通過引入兩個額外的參數(shù)來解決：從電感器磁芯到板上溫度傳感器的熱阻θis；電感器的熱量時間常數(shù)t。熱阻 用來在給定電感器功耗Pi的情況下，計算所測得的溫度Ts與電感器內部溫度之間的穩(wěn)態(tài)溫度差Ti。
附加的溫度上升用來更準確地估計電感器的DC電阻Ri ：
在以上等式中，Vdcr是電感器的DC壓降，Iout是輸出電流的均方根(RMS)值，R0是電感器在參考溫度Tref上的DC電阻，α是該電阻的溫度系數(shù)。因為大多數(shù)電感器都是用銅制成的，所以我們可以預期，溫度系數(shù)接近αcu=3900ppm/℃。在給定的α值時，其余參數(shù)θis和R0在溫度不變時可以僅用兩個負載電流校準。
針對每一個負載電流記錄下電感器電阻Rk=Vdcr,k/ 、功耗Pk和所測得的溫度Tk(k=1,2)。為了在計算θis時提高準確度，兩個負載電流應該選擇為I1=10%和I2=90%的系統(tǒng)電流范圍。 電感器的熱量時間常數(shù)t用來模擬電感器的一階熱量響應，并可在負載瞬態(tài)時用來準確地補償DCR。從小負載電流向大負載電流轉變時，電感器電阻由于自熱而增大。如果我們運用從小電流I1到大電流I2的單個負載階躍，那么電感器兩端的電壓將在瞬間從I1R1 轉變到I2R1，然后緩慢接近I2R2。這里R1是在給定溫度和負載電流I1時的穩(wěn)態(tài)電阻，而由于電感器自熱，R2在I2時略高于DC電阻。請注意，電氣時間常數(shù)tθl=L/R比熱量時間常數(shù)小幾個量級，而“瞬間”是相對于熱量時間常數(shù)而言的。兩個穩(wěn)定區(qū)給出了數(shù)據(jù)集 (I1、T1、R1、P1) 和 (I2、T2、R2、P2)，兩點校準方法 (1.3-1.4) 用來抽取穩(wěn)態(tài)參數(shù)θis和R0(考慮之前得出的“平均”α )。運用穩(wěn)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間常數(shù)t衰減到零。
時間常數(shù)t用最佳擬合曲線y=ln(△I/I)=α1+α2t的斜率計算：
總之，校準DCR電流測量值的全部所需僅為單個負載電流階躍。響應的穩(wěn)定部分給出了熱阻θis和標稱DC電阻R0，穩(wěn)定特性用來測量電感器時間常數(shù)t。一旦得出特定系統(tǒng)的自熱參數(shù)θis和t，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實現(xiàn)高精確度數(shù)字遙測 凌力爾特新推出的LTC2974是一款4通道系統(tǒng)監(jiān)察器，包含一個16位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具備同類最佳的 ±0.25%總未調誤差。該器件針對所有4個被監(jiān)視的DC/DC通道提供輸出電壓、電流及溫度的數(shù)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 ，實現(xiàn)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(jiān)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(tǒng)靈活性。LTC2974高度可靠的片上EEPROM使該器件無需開發(fā)軟件，就實現(xiàn)了徹底的自主運行。LTC2974 包括通過中斷標記與“黑盒子”記錄器實現(xiàn)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(shù)。凌力爾特的LTpowerPlay開發(fā)軟件及其GUI 界面為多軌系統(tǒng)的開發(fā)提供了方便。
圖2：用于DC/DC轉換器的LTC2974在整個溫度及輸出電流范圍內的總測量誤差 結論 準確測量負載點實時功耗使人們能夠設計出以最低能耗滿足設計目標的智能系統(tǒng)。精確、無損耗的電流測量是優(yōu)化大型系統(tǒng)功耗的關鍵，且使人們能夠開發(fā)出準確的模型。能在系統(tǒng)“健康”狀況診斷中使用實時功耗遙測是至關重要的，可用來防止可能的災難性電源系統(tǒng)故障。 |
