引言
盡管電源管理對(duì)新式電子系統(tǒng)的可靠運(yùn)行至關(guān)重要，但是在今天的系統(tǒng)中，也許仍然存在著最后一個(gè)“盲點(diǎn)”，那就是電壓穩(wěn)壓器，現(xiàn)在還沒(méi)有辦法直接配置或監(jiān)視關(guān)鍵電源系統(tǒng)工作參數(shù)。數(shù)字可編程 DC/DC 轉(zhuǎn)換器已經(jīng)存在多年了，最顯著的用途是用在具備電壓識(shí)別 (VID) 輸出電壓控制功能的電壓穩(wěn)壓器模塊 (VRM) 內(nèi)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(shí)時(shí)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(shè)計(jì)成本以及使產(chǎn)品更快上市。采用具備直觀圖形用戶(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(fù)雜的多軌系統(tǒng)。通過(guò) GUI 而不是焊接“白色導(dǎo)線(xiàn)”定位點(diǎn)，這類(lèi)系統(tǒng)還簡(jiǎn)化了在線(xiàn)測(cè)試 (ICT) 和電路板調(diào)試。另一個(gè)好處是，由于有實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)可用，所以可以預(yù)測(cè)電源系統(tǒng)故障，并采取預(yù)防性措施。也許最重要的是，具備數(shù)字管理功能的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器使設(shè)計(jì)師能夠開(kāi)發(fā)在負(fù)載點(diǎn)、電路板、機(jī)架級(jí)甚至安裝階段均能以最低能耗滿(mǎn)足目標(biāo)性能 (計(jì)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(chǔ)設(shè)施成本和產(chǎn)品壽命期內(nèi)的總體擁有成本。
需要準(zhǔn)確、無(wú)損耗的電流測(cè)量
DC/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)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(tǒng)將通過(guò)系統(tǒng)級(jí)動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡降低功耗。控制負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的算法需要準(zhǔn)確度很高的功耗數(shù)據(jù)，以微調(diào)模型，并優(yōu)化功率分配。這正是與準(zhǔn)確度很高的模擬電路相結(jié)合的實(shí)時(shí)遙測(cè)的顯著優(yōu)勢(shì)。要以高精確度測(cè)量功耗，就需要用一個(gè)已知的電阻性組件測(cè)量輸出電流。盡管已校準(zhǔn)的外部并聯(lián)電路是準(zhǔn)確的，但是它會(huì)引入額外的功率損耗，并使轉(zhuǎn)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(cè)量平均壓降，這可以減少組件數(shù)量，并簡(jiǎn)化電路板布局。與 SenseFET 等其他無(wú)損耗測(cè)量方法相比，DCR 電流測(cè)量方法更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，也更簡(jiǎn)單易用。DCR 方法的一個(gè)顯著缺點(diǎn)是，電感器電阻受溫度影響很大以及難以測(cè)量準(zhǔn)確的電感器磁芯溫度。如果沒(méi)有恰當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償，僅為 1°C 的電感器溫度變化就對(duì)應(yīng)約為 0.39% 的電流測(cè)量誤差。使情況變得更糟的是，在大負(fù)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(qǐng)專(zhuān)利) 可以補(bǔ)償所有這些問(wèn)題，而且校準(zhǔn)后，可在整個(gè)溫度和負(fù)載電流范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)好于 ±0.25% 的準(zhǔn)確度。
DCR 溫度補(bǔ)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(bǔ)償。如果溫度傳感器遠(yuǎn)離其他顯著的熱源 (例如功率 FET)，那么溫度補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確度就可以提高。在大負(fù)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(wěn)態(tài)熱量梯度，所檢測(cè)到的溫度并不準(zhǔn)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(fù)載提供 1.8V 電壓、1.5A 電流的集成式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 LTC3601 的熱像。
圖 1：DC/DC 轉(zhuǎn)換器的熱像顯示了電感器實(shí)際溫度與監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度之間的差別
此外，瞬時(shí)加熱 / 冷卻效應(yīng)也必須考慮，以當(dāng)負(fù)載電流變化快于電感器熱傳遞時(shí)間常數(shù)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(shù)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(shù) 。熱阻  用來(lái)在給定電感器功耗 的情況下，計(jì)算所測(cè)得的溫度 與電感器內(nèi)部溫度 之間的穩(wěn)態(tài)溫度差。
 (1.1)
附加的溫度上升用來(lái)更準(zhǔn)確地估計(jì)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(shù)。因?yàn)榇蠖鄶?shù)電感器都是用銅制成的，所以我們可以預(yù)期，溫度系數(shù)接近  。在給定的 值時(shí)，其余參數(shù) 和 在溫度不變時(shí)可以?xún)H用兩個(gè)負(fù)載電流校準(zhǔn)。
 (1.3)
 (1.4)
針對(duì)每一個(gè)負(fù)載電流記錄下電感器電阻 、功耗  和所測(cè)得的溫度 )。為了在計(jì)算 時(shí)提高準(zhǔn)確度，兩個(gè)負(fù)載電流應(yīng)該選擇為 和 的系統(tǒng)電流范圍。
電感器的熱量時(shí)間常數(shù) 用來(lái)模擬電感器的一階熱量響應(yīng)，并可在負(fù)載瞬態(tài)時(shí)用來(lái)準(zhǔn)確地補(bǔ)償 DCR。從小負(fù)載電流向大負(fù)載電流轉(zhuǎn)變時(shí)，電感器電阻由于自熱而增大。如果我們運(yùn)用從小電流 到大電流 的單個(gè)負(fù)載階躍，那么電感器兩端的電壓將在瞬間從 轉(zhuǎn)變到 ，然后緩慢接近 。這里 是在給定溫度和負(fù)載電流 時(shí)的穩(wěn)態(tài)電阻，而由于電感器自熱， 在 時(shí)略高于 DC 電阻。請(qǐng)注意，電氣時(shí)間常數(shù) 比熱量時(shí)間常數(shù)小幾個(gè)量級(jí)，而“瞬間”是相對(duì)于熱量時(shí)間常數(shù)而言的。兩個(gè)穩(wěn)定區(qū)給出了數(shù)據(jù)集 (I1、T1、R1、P1) 和 (I2、T2、R2、P2)，兩點(diǎn)校準(zhǔn)方法 (1.3-1.4) 用來(lái)抽取穩(wěn)態(tài)參數(shù) 和 (考慮之前得出的“平均” )。運(yùn)用穩(wěn)態(tài)表達(dá)式 (1.2) 算出的相對(duì)電流誤差將在負(fù)載階躍后立即達(dá)到峰值，然后依照電感器熱量時(shí)間常數(shù)  衰減到零。
 (1.5)
時(shí)間常數(shù) 用最佳擬合曲線(xiàn) 的斜率計(jì)算：
 (1.6)
總之，校準(zhǔn) DCR 電流測(cè)量值的全部所需僅為單個(gè)負(fù)載電流階躍。響應(yīng)的穩(wěn)定部分給出了熱阻 和標(biāo)稱(chēng) DC 電阻 R0，穩(wěn)定特性用來(lái)測(cè)量電感器時(shí)間常數(shù) 。一旦得出特定系統(tǒng)的自熱參數(shù) 和 ，那么就僅剩電感器 DC 電阻 R0 需要校準(zhǔn)，以補(bǔ)償電感器容限。
用 LTC2974 實(shí)現(xiàn)高精確度數(shù)字遙測(cè)
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(gè) 16 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具備同類(lèi)最佳的 ±0.25% 總未調(diào)誤差。該器件針對(duì)所有 4 個(gè)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(biāo)準(zhǔn)的 PMBus 接口。電流測(cè)量采用上述 DCR 溫度補(bǔ)償算法，與之前的解決方案相比 ，實(shí)現(xiàn)了較高量級(jí)的準(zhǔn)確度 (圖 2)。LTC2974 整合了遙測(cè)與精確快速的硬件監(jiān)察、微調(diào) DAC 和一套全面的排序及跟蹤選項(xiàng)，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(wú)需開(kāi)發(fā)軟件，就實(shí)現(xiàn)了徹底的自主運(yùn)行。LTC2974 包括通過(guò)中斷標(biāo)記與“黑盒子”記錄器實(shí)現(xiàn)的故障記錄功能，該記錄器存儲(chǔ)發(fā)生故障之前瞬間轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)參數(shù)。凌力爾特的 LTpowerPlayTM 開(kāi)發(fā)軟件及其 GUI 界面為多軌系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了方便。
圖 2：用于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的 LTC2974在整個(gè)溫度及輸出電流范圍內(nèi)的總測(cè)量誤差
結(jié)論
準(zhǔn)確測(cè)量負(fù)載點(diǎn)實(shí)時(shí)功耗使人們能夠設(shè)計(jì)出以最低能耗滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)的智能系統(tǒng)。精確、無(wú)損耗的電流測(cè)量是優(yōu)化大型系統(tǒng)功耗的關(guān)鍵，且使人們能夠開(kāi)發(fā)出準(zhǔn)確的模型。能在系統(tǒng)“健康”狀況診斷中使用實(shí)時(shí)功耗遙測(cè)是至關(guān)重要的，可用來(lái)防止可能的災(zāi)難性電源系統(tǒng)故障。 |
