引言

在如今關注功耗的電子產品世界中，“能量監(jiān)測”和“功率監(jiān)測”常?？梢曰Q使用，然而事實上，它們在含義、應用和優(yōu)勢方面略有不同。能量通常被定義為一段時間里的功率消耗量，其以“焦耳”(J) 或“千瓦時”(kWh) 為單位，而功率則是一個恒定的能量使用率，其以“瓦特”(W) 為單位。因此，額定功率通常用于表示設備在某個時刻將會消耗多少即時電力，而能量則是在事后確認在一個規(guī)定的時間周期內實際消耗了多少電力。所以，雖然能量監(jiān)視器和功率監(jiān)視器的“綠色”目標最終可能是相同的，但是在大多數(shù)應用中能量監(jiān)視器或許更加有用，因為它考慮到功率級別隨時間所產生的變化，從而更進了一步。

撇開 AC 負載不談，能量監(jiān)測正變得日益普及并已經在一些 DC 負載應用中確立了地位。手持式、機架式和在線能量計得到了廣泛使用，設施管理人員等可以用這些能量計跟蹤和分配設備或部門以及其他很多系統(tǒng)使用的能量。能量計的用途也可以包括負載分析，在這種應用中，對預期能耗規(guī)律和當前使用情況加以比較，并根據(jù)與能耗規(guī)律模型偏離的程度，對所關注區(qū)域做出標記。通過調整負載大小，用戶可以決定，在某個時段，可以將多少照明燈、電腦、電池等連接到系統(tǒng)中。能量監(jiān)視在可再生能源應用中的使用也隨處可見，例如在風力渦輪發(fā)電機或太陽能電池板等應用中，監(jiān)視產生了多少 DC 電量。類似地，電動自行車和電動汽車可以報告每公里能量使用情況，并量化從電池抽取或返回電池的能量。

盡管可以用一個微處理器加上少數(shù)其他組件組成一個分立式能量監(jiān)視解決方案，但是這種方法為了執(zhí)行數(shù)據(jù)計算和分析，需要連續(xù)輪詢數(shù)據(jù)，因此導致系統(tǒng)開銷增大。一款很適合的能量監(jiān)視 IC 提供了一種簡單的解決方案，減輕了這類繁重任務造成的大量負擔，在這種解決方案中，包括電壓、電流、功率和能量等所測參數(shù)合起來，可幫助即時洞察系統(tǒng)健康情況。可編程門限報警是提供早期故障檢測，以能夠在災難性事件發(fā)生之前采取預防性行動所必需的。另外，僅僅通過了解使用規(guī)模，就可以優(yōu)化系統(tǒng)。憑借這類信息，可以相應地將寶貴的資源用于別處，負擔過重的設備可以將任務卸載到沒有得到充分利用的設備上。

能量監(jiān)視器作用模型

能量監(jiān)視器可以通過很多不同的方式開發(fā)，想想對系統(tǒng)中能量使用情況進行監(jiān)視所必需的各種組件就知道，這并不奇怪。為了測量電流，需要檢測電阻器和放大器，最方便的情形是，該放大器的共模范圍擴展到正的電源軌，并將其輸出轉換到地。測量電壓需要精確的電阻分壓器，而且如果要監(jiān)視一個以上的電壓，那么所需組件清單中還必須增加一個多路轉換器。接下來是多通道模數(shù)轉換器 (ADC)，具備精確基準以及與微處理器連接的一些方法，同時也許還要與相鄰 IC 共享 I/O 連線。ADC 轉換可能需要同步至微處理器時基，以便可以跟蹤時間。微處理器還必須使電壓和電流相乘以得到功率值，然后針對一段時間求出這些功率值之和，用這些和值計算能量。如果需要針對某參數(shù)檢測最小值和最大值或報警信號，那么需要編寫額外的代碼并連續(xù)執(zhí)行這些代碼。因為找到適合的組件總體上既復雜又困難，所以能量監(jiān)視常常適合采用集成式解決方案。

多種應用因空間、復雜性或成本因素而無法考慮分立式解決方案，凌力爾特公司的 LTC2946 通過在小型 4mm x 3mm QFN 或 MSOP 封裝中集成所有必需的功能構件，使能量監(jiān)視變得對這類應用非常實用了。LTC2946 以低至 2.7V 的電壓工作，但是可以監(jiān)視任何 0V 至 100V 軌的電壓和電流以及它自己的電源電壓和一個額外的電壓輸入。內置并聯(lián)穩(wěn)壓器支持高于 100V 的電源。為了實現(xiàn)靈活性而使用外部檢測電阻器，從而允許 LTC2946 準確地監(jiān)視從毫安到數(shù)十安培或更大的電流。ADC 具 12 位分辨率，電壓最大總體未調整誤差 (TUE) 為 0.4%，電流最大總體未調整誤差為 0.6%。另一個 ADC 輸入 (ADIN 引腳) 的 TUE 也僅為 0.3%，可用來監(jiān)視輔助功能。LTC2946 還集成了一個數(shù)字多路轉換器，以計算 24 位功率值，還有累加器和振蕩器，以計算 32 位能量和電荷值。所有值、測量結果、狀態(tài)和用戶配置數(shù)據(jù)都存儲在可通過 I2C 訪問的寄存器中。

圖 1：LTC2946 的簡化方框圖

LTC2946 可用于很多復雜和空間受限的應用中，包括 RAID 系統(tǒng)、電信、交通運輸、太陽能監(jiān)視系統(tǒng)以及工業(yè)計算機 / 控制系統(tǒng)。幸運的是，這個器件僅需要進行幾個簡單的連接。圖 2 顯示，LTC2946 在監(jiān)視一個 3.3V 微處理器的輸入電壓和電流，同時由 12V 電壓供電。所需外部組件僅為一個檢測電阻器和 3 個上拉電阻器。

圖 2：LTC2946 高壓側能量計

由于 LTC2946 提供很寬的軌至軌工作范圍，所以該器件在很多不同的低壓和高壓系統(tǒng)中都很有用。不僅絕對最大額定值為 100V 的電源和檢測引腳提供大量空間，例如在 48V 或 -48V 應用中，而且零伏檢測監(jiān)視能力在短路或停電情況下也很適合用來監(jiān)視電流值。無需額外電路，零伏時的故障電流值就能夠立刻指明，電源或負載是否已經出問題了。內部 12 位ΔΣ ADC 本身可以在測量窗口中平均輸入噪聲，因此在有噪聲的環(huán)境中工作不是問題。在掃描模式，ADC 分別以 25µV、25mV 和 0.5mV 的分辨率，順序連續(xù)監(jiān)視差分檢測電壓、電源或正的檢測電壓以及備用 ADC 輸入電壓。在連續(xù)掃描模式，轉換的有效刷新率高達 20Hz (取決于執(zhí)行內部校準的頻度)，盡管用戶還可以進入瞬像模式，取得單個可選輸入的測量值。高壓監(jiān)視 IC 通常有較大的靜態(tài)電流，因此在以節(jié)能為目標的應用中，不適合使用這種 IC。不過，LTC2946 監(jiān)視 48V 軌時僅消耗 0.9mA 電流，并可停機，以使功耗降至僅為 15µA。

增添能量監(jiān)視器的活力

LTC2946 可以用多種電源獲得功率，這極大地簡化了任何應用的設計過程。圖 3a 顯示，LTC2946 用來監(jiān)視一個范圍從 4V 至 80V 的電源。無需輔助偏置電源，因為 VDD 電源引腳可以直接連接到被監(jiān)視的電源上。如果 LTC2946 用來監(jiān)視一個可以低至 0V 的電源，那么該器件可以用連接到 VDD 的多種輔助電源獲得功率，如圖 3b 所示。類似地，如果是一個低至 2.7V 的低壓電源，那么 LTC2946 可以配置為如圖 3c 所示，以最大限度降低功耗。

圖 3a：LTC2946 從被監(jiān)測的電源獲得功率

圖 3b：LTC2946 從一個寬范圍輔助電源獲得功率

圖 3c：LTC2946 從一個低電壓輔助電源獲得功率

對于高于 ±100V 的電源而言，INTVCC 引腳上的內置線性穩(wěn)壓器可用于高壓側和低壓側配置，以通過一個外部并聯(lián)電阻器給 LTC2946 供電。圖 4a 顯示了一個高壓側功率監(jiān)視器，其輸入監(jiān)視范圍超過 100V，采用高壓側并聯(lián)穩(wěn)壓器配置。LTC2946 的地通過 RSHUNT 與電路地隔離，并箝位在比輸入電源低 6.3V 的電壓上。由于不同的地電平，LTC2946 的 I2C 信號需要進行電平轉換，以與其他以地為基準的組件通信。另外還需要一個鏡像電流，以測量備用 ADC 輸入上的外部電壓。圖 4b 顯示，LTC2946 用一個高于 -100V 的電源供電。這里，低壓側并聯(lián)穩(wěn)壓器配置允許將 INTVCC 處的電壓箝位至比輸入電源高 6.3V，并在這樣的情況下工作，在這種情況下，輸入電源是負軌。如圖 4c 所示，如果輸入電源和瞬態(tài)電壓限制為低于 -100V，就不需要并聯(lián)電阻器，其中 VDD 是相對于 LTC2946 地的電路地處之電源電壓。

圖 4a：LTC2946 通過高壓側并聯(lián)穩(wěn)壓器獲得功率

圖 4b：LTC2946 在低壓側電流檢測拓撲通過低壓側并聯(lián)穩(wěn)壓器獲得功率

圖 4c：LTC2946 在低壓側電流檢測拓撲從被監(jiān)視的電源獲得功率

數(shù)字功能帶來便利性

與靈活的供電選項一樣，LTC2946 還包括很多便利的、簡化設計的數(shù)字功能。最顯而易見的數(shù)字功能是集成的數(shù)字多路復用器與累加器，可為用戶提供 24 位功率、32 位能量和電荷值，既減輕了大量輪詢電壓和電流數(shù)據(jù)的負擔，又可執(zhí)行額外的計算任務。LTC2946 通過將測得的 12 位電流與測得的 12 位電壓相乘來計算功率。在連續(xù)模式，通過測量差分檢測電壓得到負載電流數(shù)據(jù)。不過，電壓數(shù)據(jù)可在電源電壓、正的檢測電壓或備用 ADC 輸入電壓之間選擇。每次進行電流測量之后，計算 24 位功率值。最后，能量和電荷累加器中逐步增加功率和電流數(shù)據(jù)，在通常的電流和功率值情況下，能夠存儲幾個月的數(shù)據(jù)。

對于電流、電壓和功率，LTC2946 有最小和最大值寄存器，因此無需軟件連續(xù)輪詢，使 I2C 總線和主機能夠釋放出來執(zhí)行其他任務。除了檢測和存儲最小 / 最大值，LTC2946 還有最小 / 最大限制值寄存器，可用來在超出限制值時發(fā)出警報，因此微處理器也無需不斷輪詢 LTC2946 及分析數(shù)據(jù)。LTC2946 還可配置為，在提供了規(guī)定的能量或電荷量以后，或者當預設的時間已經過去時，產生溢出警報。對于一個能量監(jiān)視器而言，報警可能與最小和最大值寄存器一樣重要。圖 5 顯示，LTC2946 怎樣通過軟件和硬件產生警報。所測得的數(shù)據(jù)與用戶定義的門限相比較;過壓、欠壓、過流、欠流、功率過大、功率不足門限值均可定義并同時監(jiān)視。然后，狀態(tài)寄存器通知用戶，哪個參數(shù)門限值已超過，同時實際故障值被記錄到另一個寄存器中，可以在以后查詢。單獨的警報寄存器允許用戶選擇，按照 SMBus 報警響應協(xié)議響應哪些參數(shù)，該協(xié)議中的報警響應地址 (Alert Response Address) 被廣播出去，/ALERT 引腳被拉低，以通知主機出現(xiàn)了報警事件。

圖 5：LTC2946 怎樣產生故障警報

LTC2946 采用功能得到獨特增強的標準 I2C 接口與外部世界通信。有 9 個 I2C 器件地址可用，因此可以非常容易地將多個 LTC2946 設計到同一個系統(tǒng)中。所有 LTC2946 器件都響應一個公共地址，這允許主總線同時對幾個 LTC2946 進行寫操作，而不管它們各自的地址是什么。阻塞總線復位定時器使內部 I2C 狀態(tài)機復位，以在 I2C 信號保持為低電平的時間超過 33ms (阻塞總線條件) 時，允許恢復正常通信。由于有分路 I2C 數(shù)據(jù)線，所以無需使用 I2C 分路器或整合器實現(xiàn)雙向傳輸以及跨隔離邊界接收數(shù)據(jù)，這帶來了便利性。此外，LTC2946-1 版本提供反相數(shù)據(jù)輸出，以用于負輸出光隔離器配置。

結論

LTC2946 是一種通用的電路板級能量監(jiān)視器，適用于多種應用，為用戶提供了簡單但非常有效的電流、電壓、功率、能量、電荷及時間監(jiān)視方法。高性能基本構件允許 LTC2946 以同類器件中最高的準確度、方便地監(jiān)視 0V 至 100V 正和負軌。由于有獨立的高壓監(jiān)視和電源引腳，而且內置穩(wěn)壓器支持超過 100V 的電源，所以用戶有各種偏置選擇。LTC2946 的模擬功能與其主資源節(jié)省的數(shù)字功能同樣出色，包括多路復用器、累加器、最小 / 最大值寄存器、可配置警報以及功能非常強大的 I2C 接口。