Noggrann övervakning av matningsspänning och matningsström är av kritisk vikt för att spara energi i många tillämpningar. Här visas hur mätuppkopplingar enkelt kan åstadkommas genom att använda kommersiella komponenter och som kan övervaka från "rail-to-rail".

I takt med att dagens elektronikkonstruktioner blir alltmer komplicerade, blir det också allt viktigare att styra kraftförbrukningen och optimera systemens verkningsgrad. Noggrann övervakning av matningsspänning och matningsström är av kritisk vikt för att spara energi och garantera tillförlitligheten i allt från industri- och telekomtillämpningar till fordons- och medicinutrustning.
Kraftövervakning på kortnivå används nu inte bara i uppställningar och servrar: Solladdare, vapensystem och avancerad fordonselektronik är bara några exempel på icke-traditionella tillämpningar där kraftövervakning snabbt börjar få utbredning.
I en alltmer ihopkopplad värld, med smartare effektiva system, har det blivit allt viktigare för slutanvändare, som vill vara miljövänliga och resurssnåla, att ha full koll på och kunskap om elektriska parametrar.

Krets övervakar kraft
Diskreta kraftövervakningslösningar kan visserligen byggas med en mikroprocessor och en handfull andra komponenter, men eftersom systemen även måste ha kontrolldata, multipliceringsparametrar eller analysdata – är en bra kraftövervakningskrets en enkel lösning som underlättar en mängd sådana mödosamma uppgifter.
Kunskap om spänning, ström eller effektnivåer ger omedelbar insikt i ett systems hälsotillstånd. En parametrisk varning kan vara allt som behövs för att fel ska upptäckas tidigt så att förebyggande åtgärder kan vidtas innan felen får katastrofala följder.
Ett annat alternativ är att systemen optimeras enligt specifika förbrukningsmönster, exempelvis hur mycket ström de drar över tiden.  Sådan information kan utnyttjas för att omfördela resurser, så att uppgifter kan överföras från överutnyttjade delar till underutnyttjade delar.

Kraftövervakningsmodellen
Kraftövervakare kan utformas på många olika sätt, vilket inte är förvånande med tanke på att det krävs en rad olika komponenter för att övervaka den kraft som tillförs ett system. Mätning av ström kräver ett avkänningsmotstånd och förstärkare, och det är mest praktiskt om förstärkarens “common-mode”-område sträcker sig till det positiva området och översätter dess utgång till jord.
Noggranna motståndsdelare krävs för att mäta spänning och om mer än en spänning ska övervakas måste en mux också inkluderas.  Därefter tillkommer en flerkanalig analog/digitalomvandlare (A/D-omvandlare, eng ADC) med en noggrann referens och något sätt att ansluta till en mikroprocessor, samtidigt som den eventuellt delar I/O-linjer med intilliggande kretsar. Om minsta och högsta värden samt varningar behöver detekteras måste kod skrivas och hela tiden utföras.
På grund av den sammanlagda komplexiteten och svårigheten att hitta lämpliga komponenter är det lämpligt att göra integrerade lösningar för kraftövervakning.
Genom att integrera samtliga nödvändiga funktionella block i en liten 3×3 mm QFN- eller MS12-kapsel möjliggör Linear Technologys LTC2945 praktisk kraftövervakning i en rad olika tillämpningar där en diskret lösning är otänkbar på grund av utrymme, komplexitet eller kostnad.

LTC2945.

LTC2945 drar så lite som 2,7 V, men kan övervaka spänning och ström för matning från 0 V till 80 V, liksom sin egen matningsspänning och ytterligare en spänningsingång.
En inbyggd shuntregulator ger stöd för matning på över 80 V.  Avkänningsmotståndet är externt för ökad flexibilitet, vilket gör det möjligt för LTC2945 att noga övervaka ström från milliampere till ampere eller mer.  A/D-omvandlaren har 12-bitars upplösning och ett högsta totalt ojusterat fel (TUE) på 0,75 procent för spänning och 0,75 procent för ström. För den extra A/D-ingången (ADIN-benet) är TUE också bara 0,75 procent.
LTC2945 integrerar även en digital multiplikator, som beräknar ett 24-bitars effektresultat och sparar det värdet tillsammans med mätningar, status och användarkonfigurationer i I2C-åtkomliga register.

Fig 1. Förenklat blockschema för LTC2945.

LTC2945 återfinns i många komplicerade, utrymmesbegränsade tillämpningar inkluderande RAID-system, telekommunikations-, transport-, solövervakningssystem samt industriella dator-/styrsystem.  Lyckligtvis behöver kretsen bara några få enkla anslutningar.  Fig 2 visar en LTC2945 som övervakar ingående spänning och ström hos en 3,3 V mikroprocessor, spänningsmatad med 12 V. De enda externa komponenter som krävs är ett avkänningsmotstånd och tre “pull-up”-motstånd.

Fig 2. LTC2945 ingående matningsövervakning med 12 V V_DD-ingång.

Tack vare ett brett “rail-to-rail”-område kan LTC2945 användas för många olika lågspännings- och högspänningssystem.
Matnings- och avkänningsben med absolut maximal märkning på 100 V ger breda marginaler, för exempelvis 48 V eller -48 V tillämpningar, men dess förmåga att övervaka även noll volt är minst lika användbar för övervakning av strömnivåer vid kortslutning eller strömavbrott.  Felaktiga strömnivåer vid noll volt ger en omedelbar indikation på fel i kraftförsörjning eller last.  Den interna 12-bitars sigma-deltaomvandlare jämnar ut ingångsbruset över mätområdet så arbete i brusiga miljöer är inget problem.  I scanningsläge övervakar A/D-omvandlaren kontinuerligt  den differentiella avkänningsspänningen, matnings- eller positiva avkänningsspänningen, och inspänning från den extra A/D-omvandlaren  sekventiellt med upplösning på 25 µV, 25 mV respektive 0,5 mV.
Omvandlingen har en effektiv aktualiseringshastighet på 7,5 Hz i kontinuerligt scanningsläge, även om användare även kan utnyttja ett ögonblicksläge för att mätning av enstaka valbara ingångar.
Kretsar för övervakning av hög spänning har oftast hög ström i obelastat läge och är därför inte lämpliga att använda för tillämpningar där målet är att spara energi; LTC2945 förbrukar dock bara 0,8 mA vid övervakning av 48 V och kan stängas av så att strömförbrukningen minskar till endast 20 µA.

Kraftövervakarens kraftmatning
LTC2945 kan hämta kraft från en rad olika spänningskällor vilket drastiskt förenklar  konstruktionsprocessen för samtliga tillämpningar.  Fig 3a visar en LTC2945 som används för att övervaka matning mellan 4 V och 80 V. Ingen sekundär förspänning behövs eftersom anslutningsbenet för spänningsmatning V_DD kan anslutas direkt till den övervakade matningen.
Om LTC2945 används för att övervaka matning som går så lågt som 0 V kan den hämta kraft från en rad olika sekundärkällor anslutna till V_DD såsom visas i fig 3b.
På liknande sätt kan LTC2945 konfigureras som i fig 3c för minimerad kraftförbrukning vid så låg spänningsmatning som 2,7 V.

Fig 3a. LTC2945 drar kraft från den matning som övervakas.

Fig 3b. LTC2945 drar kraft från en rad olika sekundärkällor.

Fig 3c. LTC2945 drar kraft från sekundärmatning med låg spänning.

För matning på över ±80 V kan den inbyggda linjära regulatorn på INTVCC-benet användas i både hög- och lågsides konfigurationer för att tillhandahålla kraft till LTC2945 via ett externt shuntmotstånd.
Fig 4a visar en spänningsövervakare på högsidan med ett ingående övervakningsområde på över 80 V i en konfiguration med shunt på högsidan.  LTC2945s jord är skild från kretsens jord via RSHUNT och är låst till  6,3 V under inspänningen.

Fig 4a. LTC2945 drar kraft via shuntregulator på högsidan.

På grund av de olika jordnivåerna måste LTC2945s I2C-signaler nivåskiftas för kommunikation med andra komponenter med jordreferens; en strömspegel behövs också för att mäta den externa spänningen på den extra A/D-ingången.
Fig 4b visar en LTC2945 som utvinner kraft från matning på över -80 V. Här möjliggör konfigurationen med shuntregulator på lågsidan drift genom att spänningen på INTVCC är låst till 6,3 V över inspänningen, vilket i det här fallet är en negativ matning.

Fig 4b. LTC2945 drar kraft via shuntregulator på lågsidan i topologi med strömavkänning på lågsidan.

Såsom visas i figur 4c behövs inget shuntmotstånd om inspänningen ligger under -80 V och transienter är begränsade till under -100 V, då VDD mäter matningsspänningen vid kretsens jord i förhållande till LTC2945s jord.

Fig 4c. LTC2945 drar kraft från matning som övervakas i topologi med strömavkänning på lågsidan.

Praktiska digitala egenskaper
Förutom de flexibla kraftmatningsalternativen inkluderar LTC2945 även en rad olika praktiska digitala egenskaper som förenklar konstruktionsarbetet.
Den mest uppenbara digitala egenskapen är integreringen av en digital multiplikator som ger användare ett 24-bitars effektvärde, vilket gör att värden slipper att efterfråga uppgifter för spänning och ström och utföra en extra beräkning.
LTC2945 beräknar effekten genom att multiplicera 12-bitars uppmätt ström med 12-bitars uppmätt spänning. Vid kontinuerlig drift mäts den differentiella avkänningsspänningen för att ge uppgifter för lastströmmen. Uppgifter för spänningen kan dock anges för antingen matningsspänning, positiv avkänningsspänning eller extra A/D-inspänning.  Effektvärdet på 24-bitar beräknas sedan med en hastighet på 7,5 Hz i kontinuerlig drift och uppdateras inte alls för ögonblicksmätning.
LTC2945 har register för minsta och högsta ström och spänning, samt effekt, vilket utesluter behovet av kontinuerlig programvaruförfrågningar och frigör I²C-bussen och värden att utföra andra uppgifter.

Varning om gräns överskrids
Utöver att detektera och spara min-/max-värden har LTC2945 register för min-/max-gränser som kan användas för att utfärda varningar om någon gräns skulle överträdas, vilket återigen gör att mikroprocessorn inte hela tiden måste efterfråga och analysera data från LTC2945. För en kraftövervakare kan ett varnande svar vara lika värdefullt som min-/max-register. Figur 5 visar hur LTC2945 genererar en varningssignal via program- och maskinvara.

Fig 5. LTC2945s generering av felvarningar.

Uppmätt data jämförs med användardefinierade trösklar; trösklar för överspänning, underspänning, överström, underström, samt för hög eller för låg effekt kan definieras och övervakas samtidigt. Ett statusregister informerar sedan användaren om vilka trösklar som överträtts, medan de faktiska felvärdena sparas i ett annat register och kan studeras vid ett senare tillfälle. Ett separat varningsregister möjliggör för användare att välja vilka parametrar som ska svara enligt SMBussens svarsprotokoll, varifrån varningssvarets adress sänds och ALERT-benet dras ned lågt för att varna värden.
LTC2945 utnyttjar ett standardgränssnitt för I²C med unika förbättringar för kommunikation med omvärlden. Nio I²C-kretsadresser är tillgängliga så flera LTC2945er kan lätt konstrueras in i ett system.
Samtliga LTC2945-kretsar har en gemensam adress, vilket gör att bussmastern kan skriva till flera LTC2945er samtidigt, oavsett deras enskilda adresser. En särskild timer återställer det interna I²C-läget för att möjliggöra att normal kommunikation återupptas om I²C-signalerna hålls låga under mer än 33 ms (dvs om bussen fastnat, s k “stuck bus”).  En delad linje för I²C-data utesluter praktiskt behovet av I²C-delare eller I²C-kombinerare för dubbelriktad sändning och mottagning av data över isolerade gränser. LTC2945-1 har dessutom en inverterad datautgång för användning med inverterade optoisolatorer.

Övervakare på kretskort
LTC2945 är en mångsidig spänningsövervakare på kortnivå som passar för en rad olika tillämpningar och ger användare ett enkelt, men ändå effektivt sätt att övervaka ström, spänning och effekt. Högpresterande byggblock gör att LTC2945 med lätthet och med klassens högsta noggrannhet kan övervaka positiv och negativ spänning från 0 V till 80 V.
Användare kan välja bland en rad olika kraftmatningsalternativ tack vare oberoende anslutningsben för högspänningsövervakning och kraftmatning samt en inbyggd regulator som stöder matning på över 80 V.
LTC2945s analoga färdigheter motsvaras av dess digitala egenskaper, som sparar värdens resurser genom att inkludera en multiplikator, min-/max-register, konfigurerbara varningar och ett mycket avancerat I²C-gränssnitt.

Filed under: Matteknik