>>>>引 言

如果告訴別人，你在家里屋頂上安裝了一個太陽能電池板系統(tǒng)，那么你可能會遇到一大堆問題，包括 “你安裝了多少電池板?” 或者 “你的系統(tǒng)多大?” 大多數(shù)人會以一種有時轉(zhuǎn)彎抹角的方式試圖估測你的系統(tǒng)額定功率。接著，他們或許繼續(xù)詢問你的電池板效率有多高，你的系統(tǒng)是否仍然連接至電網(wǎng)，或者整個系統(tǒng)花了你多少錢，所有這些都是完全有效的問題。然而，如果你像我一樣，喜歡首先說明 “主要部分” (并盡量減少別人的提問)，那么就要嘗試以說明自己的耗電量和發(fā)電量作為交談的開始，因為與功率不同，從耗電和發(fā)電的角度來看，能量是終局，而且是任何系統(tǒng)真正的性能度量指標。

在很多應用而不僅是太陽能系統(tǒng)中，監(jiān)視能量都有很多類似的好處。市面上廣泛提供手持式、機架式和直插式能量計，很多人都可以使用，例如設施管理員可以用來跟蹤和分配設備或部門等使用的能量。能量計的使用也許還包括負載記錄與分析，這時比較預期能耗與當前能量使用情況，并根據(jù)其與已建立能量模型之間的偏差，標記需要關(guān)注的區(qū)域。通過調(diào)節(jié)負載，人們可以決定，任何時刻可以連接到系統(tǒng)多少設備，例如電燈、電腦、電池等。電動自行車和電動汽車可以報告它們的每英里能量使用情況，量化從電池抽取或返回電池的能量。

盡管能量監(jiān)視應用豐富多彩，但是市場上卻極少有能量監(jiān)視 IC。很多系統(tǒng)設計師用功率監(jiān)視 IC 應付，例如凌力爾特公司的 100V LTC2945 功率監(jiān)視器，并用一個微處理器跟蹤功率和時間信息，同時計算能量。盡管不需要復雜的編碼，但是這種解決方案的主要缺點是牽制了計算資源。凌力爾特的 100V LTC2946 能量監(jiān)視器是一款更加簡練的解決方案，提供直接能量測量，用戶能夠靈活地選擇自己的檢測電阻器，但是當需要測量大電流時，挑戰(zhàn)就出現(xiàn)了。接下來就是凌力爾特早該推出的 LTC2947 能量監(jiān)視器了，該器件集成了 30A 檢測電阻器，對如今要求最苛刻的應用而言，該器件能提供極其切合實際的能量監(jiān)視。

>>>>再論檢測電阻器

使用以檢測電阻器作為電流檢測組件的功率或能量監(jiān)視 IC 進行設計時，計算所需檢測電阻器通常是個非常容易的任務。只需應用歐姆定律，獲取數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的滿標度電壓，然后除以負載電流即可。然后，去喜歡的電子組件分銷商的網(wǎng)站上查一下，看看有哪些真實的電阻器值可用。直到開始測量兩位數(shù)的電流為止，事情都足夠簡單。

以 LTC2946 寬范圍 I²C 功率、電荷和能量監(jiān)視器為例，該器件的滿標度電壓約為 100mV。如果 LTC2946 用來測量一個 30A 軌，那么需要 3.3m? 檢測電阻器，這種阻值的電阻器輕而易舉就可得到，但是這個電阻器會消耗 2.9W 功率！這個世界上即使有人但也極少愿意為了簡單的能量測量而消耗這么大的功率。此外，因為功率消耗很大，封裝絕對有可能是不 “標準” 的，因此相當昂貴。例如，Digi-Key 銷售的 Vishay CSM3637P 3.3m? ±1% 5W 檢測電阻器，如圖 1a 所示，千片批購價為每片 6.90 美元！其 6mm x 3mm x 0.6mm 大型金屬鋁箔封裝實際上使該電阻器成了一個難以安裝的 5W 散熱器。

如果用 LTC2946 測量較小的電流，例如 6A 軌，那么需要 16m? 檢測電阻器，功耗則是更可接受的 0.57W。Digi-Key 銷售松下 ERJ8CW 16m? ±1% 1W 檢測電阻器，如圖 1b 所示，千片批購價為每片 0.09 美元，也可以接受。這款電阻器采用纖巧的 3.2mm x 1.6mm x 0.65mm 1206 封裝，不難安裝，也不會占用很大的電路板空間。其實，這構(gòu)成了一個準確度為 2.4% 的能量監(jiān)視解決方案，在-40°C 至 85°C 工作溫度范圍內(nèi)運行，對某些應用而言，這也許太不準確了。這個 2.4% 還不包括 LTC2946 和檢測電阻器之間的外部連接 (即引線和走線) 產(chǎn)生的熱電偶效應導致的任何不準確性。

圖1a：LTC2946用3.3m?檢測電阻器測量30A軌的能量

圖1b：LTC2946用16m?檢測電阻器測量6A軌的能量

無論你想測量 30A 軌還是 6A 軌，一種更簡單的方式以替代 LTC2946 的器件就是 LTC2947 能量監(jiān)視器，如圖 2 所示，該器件集成了一個 300μ? 檢測電阻器，消除了使用外部檢測電阻器測量大電流的諸多難題，包括功耗、準確度、溫度漂移和尺寸問題。當測量 30A 滿標度電流時，LTC2947 集成的檢測電阻器上之壓降僅為 10mV，從而導致僅約 1/4 W 的功耗，或者測量 6A 軌時功耗為 10mW。除了低功耗，由于其僅為 -9mA (2.7μV) 的低失調(diào)，LTC2947 還提供很大的動態(tài)范圍。經(jīng)過溫度補償?shù)哪芰孔x數(shù)確保在室溫時準確度為 1.2%，在 -40°C 至 85°C 的整個溫度范圍內(nèi)，準確度為 1.5%。此外， LTC2947 采用 4mm x 6mm 32 引腳 QFN 封裝，從而非常適用空間受限設計。

圖 2：集成了檢測電阻器的 LTC2947 功率 / 能量監(jiān)視器

>>>>能量測量

LTC2947 測量很多參數(shù)，包括電流、電壓、功率、電荷、能量、溫度和時間。參見圖 3 所示方框圖。LTC2947 采用 3 個 ΔΣ ADC，其中兩個測量電壓和電流，第三個 ADC 計算功率。在連續(xù)模式，ADC 連續(xù)并同時測量電流、電壓、功率和溫度，且每隔 100ms 更新一次相應的內(nèi)部寄存器。單穩(wěn)態(tài)模式觸發(fā)一組循環(huán)測量。當無需進行測量時，LTC2947 可進入停機模式，這時總電流消耗降至不到 10μA，或進入空閑模式，這時所有電路保持有效，并準備進入連續(xù)、單穩(wěn)態(tài)或停機模式。

圖 3：LTC2947 方框圖

LTC2947 1.3% 的能量測量準確度確實得益于其計算功率的獨特方法。與現(xiàn)有功率監(jiān)視器以一個 ADC 的轉(zhuǎn)換速率倍增功率不同，LTC2947 執(zhí)行了一種獨特的測量方案，可實現(xiàn)最大的功率測量準確度。LTC2947 中的 3 個 ADC 各針對一項特定的任務量身打造。第一個 ADC 負責測量 -30A 至 30A 的電流，并運用連續(xù)失調(diào)校準確保以相同的權(quán)重對所有的輸入采樣進行平均處理，并且不會漏失任何采樣。

第二個 ADC 在第一個 ADC 測量電流的同時測量內(nèi)部溫度和差分電壓。溫度被報告給主機，并在內(nèi)部被 LTC2947 用來補償內(nèi)部電流檢測電阻器的溫度漂移，從而實現(xiàn)更加準確的電流測量。由于 LTC2947 具有 0V 至 15V 的軌至軌工作范圍，因此它適用于多種類型的系統(tǒng)。不僅額定絕對最大值為 20V 的電源和檢測引腳為 12V 應用提供了很大的儲備空間，而且零伏 (0V) 檢測監(jiān)視能力在監(jiān)視短路或斷電情況下的電流水平方面同樣是十分有用。0V 電壓下的故障電流水平能夠立即指示電源或負載是否已經(jīng)損壞，并不需要增加額外的電路。

測量功率和能量時，LTC2947 的 “秘密武器” 確實藏在第三個 ADC 中，在進行任何轉(zhuǎn)換平均之前，這個 ADC 在 5MHz 采樣頻率時乘以電流和電壓。你知道，在典型的功率或能量監(jiān)視 IC 中，用一個或兩個 ADC 測量電流和電壓，結(jié)果相乘以得到功率。然而，因為通常使用 ΔΣ ADC，所以用來相乘的值是平均電流值和平均電壓值，這總是會導致一些功率誤差。LTC2947 并未進行平均值的乘法運算，而是把電流和電壓的原始 (在抽取濾波器之前) 讀數(shù)相乘，然后轉(zhuǎn)換結(jié)果。這就使 LTC2947 能夠在電流和電壓變化高達 50kHz 時，準確地測量功率，這種變化遠遠超出其轉(zhuǎn)換頻率范圍。例如，如果從一個阻抗極大的電池吸取功率，就有可能發(fā)生這種情況。

圖 4 顯示了一個在 20μs 時間間隔內(nèi)改變相位的電流和電壓波形的例子，還顯示了典型功率或能量監(jiān)視 IC 以及 LTC2947 是怎樣以不同的方式計算功率的。在典型功率或能量監(jiān)視 IC 中，功率是由平均電流乘以平均電壓得出的。在 LTC2947 中，功率是通過采樣 (在這個例子中，使用了兩個采樣) 相乘之后再平均得出的。LTC2947 計算出的 0.218W 功率更接近實際功率，而典型功率或能量監(jiān)視 IC 得出的 0.234W 功率有 7.3% 的誤差。LTC2947 避免了這種誤差，并在信號直至50kHz 時都保持準確。

圖 4：典型功率計算與 LTC2947 功率計算舉例

由于電荷是隨著時間推移所消耗的電流量，而能量則是隨著時間推移產(chǎn)生的用電量，因此 LTC2947 對電流和功率進行時間積分，以計算流至負載或從負載流出的電荷和能量。另外，該器件還記錄用于積分運算的總累積時間，這里，積分時基可以由 1% 準確度的內(nèi)部時鐘或一個 100kHz 至 25MHz 的外部時基提供。在電荷僅僅是準確地確定電池充電狀態(tài) (SOC) 的諸多前提條件之一的電池應用中，電荷數(shù)據(jù)會特別有用。此外，能量數(shù)據(jù)在日常應用中還被證明是更加常用的，因為它可實現(xiàn)動態(tài)加載，而不是依賴靜態(tài)功率讀數(shù)以執(zhí)行操作。

>>>>數(shù)字功能的便利性

LTC2947 提供眾多便利的數(shù)字功能，可簡化設計。最明顯的數(shù)字功能是集成了乘法器和累加器，從而為用戶提供了 24 位功率以及 48 位能量和電荷數(shù)據(jù)，減輕了大量輪詢電壓和電流數(shù)據(jù)并執(zhí)行額外計算的負擔。單獨的 1.8V 至 5.5V 數(shù)字電源使用戶能夠以不同于所監(jiān)視電源的電壓運行邏輯電平。

LTC2947 針對電流、電壓、功率和溫度提供最小值和最大值寄存器，因此無需軟件連續(xù)輪詢，使總線和主機有時間執(zhí)行其他任務。除了檢測和存儲最小 / 最大值，LTC2947 還提供門限寄存器，可用來在任何門限被超過時發(fā)布警報，因此也無需微處理器不斷輪詢 LTC2947 并分析數(shù)據(jù)。在提供了規(guī)定量的能量或電荷之后，或者當超過了預設定的時間后，LTC2947 還可配置為產(chǎn)生一個溢出警報。就能量監(jiān)視器而言，警報響應可能與最小值和最大值寄存器一樣有用，因此該器件提供了單獨的警報寄存器，允許用戶按照 SMBus 警報響應協(xié)議，選擇針對哪個參數(shù)發(fā)出警報響應，這時廣播警報響應地址 (Alert Response Address，簡稱 ARA)，同時 / ALERT 引腳被拉低，以通知主機發(fā)生了警報事件。

用戶可以用引腳配置 LTC2947，以支持標準 SPI 或 I²C 接口，與外部世界通信。有 6 個 I²C 器件地址可用，因此可以非常方便地將多個 LTC2947 設計到同一個系統(tǒng)中。阻塞總線復位定時器使內(nèi)部 I²C 狀態(tài)機復位，以在無論什么原因而使 I²C 信號保持低電平超過 50ms (阻塞總線情況) 時，允許恢復正常通信。這種廣受歡迎的阻塞總線保護功能可防止主機需要手工排除總線被固定在低電平上的故障，這種故障可能導致破壞性、昂貴和耗時的系統(tǒng)復位問題。LTC2947 還提供分割的 I²C 數(shù)據(jù)線，因此無需使用 I²C 分配器或組合器實現(xiàn)雙向傳輸以及跨隔離邊界接收數(shù)據(jù)，這樣就非常方便了。

LTC2947 是一款便利的電路板級能量監(jiān)視器，集成了一個 300μ? 檢測電阻器，消除了往往在測量大電流時出現(xiàn)的常見檢測電阻器挑戰(zhàn)。無論電流大小，3 個 ADC 都獨特地設計以為用戶提供高度準確的電流、電壓、功率、能量、電荷、溫度和時間讀數(shù)。-30A 至 30A 電流范圍和 0V 至 15V 電壓范圍允許 LTC2947 可采用在多種應用中，包括存在雙向電流的應用。LTC2947提供乘法器、累加器、最小 / 最大值寄存器、可配置警報和功能非常強大的 SPI 或 I²C 接口，但是其模擬功能之強與其大量節(jié)省資源的數(shù)字功能不相上下。LTC2947 僅占用 24mm²電路板面積，是凌力爾特功率監(jiān)視產(chǎn)品線中迄今為止最切合實際的器件。