多電流監(jiān)控疑難解析

一些使用電池供電的系統(tǒng)會配備多個電流傳感器或功率監(jiān)視器，在這類系統(tǒng)中，多信道功率監(jiān)視器將幫助設(shè)計人員大幅降低系統(tǒng)功耗和程序復(fù)雜性。具體來說，與重復(fù)使用單信道組件相比，選擇多信道組件進行功率測量時能夠降低至少38%的功耗。此外，由主機處理器維護的功率監(jiān)控活動可以進入休眠模式，以保留更多的處理能力用于其他活動。
 
遺憾的是，首先需要就命名法達成一致?，F(xiàn)在有多個不同的短語被用來指稱這一組件類別， 有些人稱之為上橋臂電流傳感器（high-side current sensors）、電流傳感器（current sensor），或是功率監(jiān)視器IC（power monitor IC）。這類組件具有數(shù)字接口，輸入可直接連接到高于5V的電壓軌，可測量通過檢測電阻的電流、電壓和功率。這類功率監(jiān)視器具有一個既定優(yōu)勢，即能夠連接到較高的電壓。有些功率監(jiān)視器最高可以承受100V的電壓，而其他中階組件最高只能承受32V的電壓。因此，有了這類組件，便無需在高壓應(yīng)用中使用外部組件。

圖一以一個簡單的架構(gòu)圖標(biāo)來輔助說明該組件類別。ADI（Maxim，LT）、TI、Renesas（Intersil）和Microchip都有此類組件。Maxim將這類組件稱為帶有數(shù)字輸出的電流傳感器，而ADI稱這類組件為功率監(jiān)視器。TI和Microchip都將這類組件稱為電流/電壓/功率監(jiān)視器，因此命名法的一致性得以延續(xù)。


 
圖一 : 主機處理器和模擬電流傳感器

既然命名法的問題已經(jīng)解決了，我們來回顧一下這類組件的一些優(yōu)勢，以及如何利用多通道版本來降低功耗。本文首先介紹整合ADC的主機處理器，主機需要持續(xù)通電以測量位于電路板上其他位置的電流傳感器。如果系統(tǒng)僅使用不超過5V的電源電壓，則可能只需要簡單的運算放大器和電阻即可測量系統(tǒng)的功率。要降低監(jiān)控活動產(chǎn)生的系統(tǒng)功耗，可以執(zhí)行周期性輪詢（periodic polling）。

然而，這并沒有解決關(guān)鍵電源軌需要更加主動的管理的問題。這種管理可用于測量和優(yōu)化電源效率或了解剩余電池壽命。在任一情況下，如果可以使用具有限值的獨立電流傳感器實現(xiàn)中斷功能，則主機處理器可以在較低功耗狀態(tài)下堅持更長的時間。因此，在需要監(jiān)控關(guān)鍵電源軌的應(yīng)用中會發(fā)現(xiàn)一個缺陷，即主機處理器“always on”。

許多主機處理器還有另外一個缺陷，即如果要連接高于5V的更高電壓軌，則必須保護組件，如此可以看到上橋臂電流傳感器的優(yōu)勢?，F(xiàn)在，試想一個純模擬上橋臂電流傳感器。這類電流傳感器的一般模式電壓高達100V以上。這類組件可以直接連接到更高的電壓軌，無需外部保護組件。此外，這類組件仍向主機控制器提供訊號，這些訊號代表系統(tǒng)中的電流和功率。

事實上，既然討論的主題是多信道功率監(jiān)控，則應(yīng)該注意，即使是模擬電流傳感器也有多信道選項。在此，模擬電流傳感器的主動功耗通常等于單個組件的功耗乘以通道數(shù)。亦即假如單通道模擬電流傳感器（例如INA290）的最大靜態(tài)電流為600 μA，那么在相同的工作條件下，同一系列中的雙信道版本INA2290的靜態(tài)電流為1200 μA。

功率監(jiān)視器IC
接著介紹功率監(jiān)控IC主題，這是一種混合訊號組件。對于選用“always on”的主機控制器和模擬電流傳感器的系統(tǒng)，下文將介紹功率監(jiān)視器對其進行改進的方式。

首先，功率監(jiān)視器獨立于主機控制器計算芯片功耗。該組件使用的方法仍與模擬電流檢測放大器相同，但比其更進一步，可通過整合ADC和倍頻器實現(xiàn)功率的數(shù)字表示，然后再透過數(shù)字接口將該數(shù)字值傳輸?shù)骄彺嫫?；由此提供?shù)字功率計算。因此，系統(tǒng)主機處理器可以有下列的好處：
? 節(jié)省監(jiān)控一個或多個模擬電流傳感器產(chǎn)生的軟件開銷、縮短開發(fā)時間并降低程序復(fù)雜性;
? 縮短處于喚醒狀態(tài)的時間，同時傳感器可以累積數(shù)據(jù)。

其次，功率監(jiān)視器還有一項附加優(yōu)勢，即可以通過使用共享通訊總線減少主機需要的接腳數(shù)。許多通用傳感器使用共享接口，因此可與額外的功率監(jiān)視器、溫度傳感器和內(nèi)存等共享這些總線。使用多個單通道模擬電流傳感器時則沒有這樣的優(yōu)勢，因為它們需要在主機上使用額外的接腳。此外，這也意味著有更多的GPIO被作為一般功能使用。
第三，功率監(jiān)視器允許系統(tǒng)等待警告訊號而不是輪詢讀數(shù)，因此可以降低主機功耗。在此等待期間，主機可以選擇保持在功耗較低的休眠或待機狀態(tài)，以節(jié)省更多的系統(tǒng)電池電量，同時由功率監(jiān)視器監(jiān)控關(guān)鍵電壓軌的偏差。

使用多通道功率監(jiān)視器降低功耗
最后，敘述多信道功率監(jiān)視器主題。與單信道組件有所不同，這類多通道功率監(jiān)視器能夠構(gòu)建循環(huán)采樣和報告架構(gòu)，進而降低系統(tǒng)功耗。大多數(shù)公司都使用類似的架構(gòu)，因此將透過用于PAC1954的Microchip架構(gòu)來進行說明。

請注意，PAC1954組件具有一個用于測量Vsense的ADC，透過對這一功能模塊進行多任務(wù)，可以測量和報告系統(tǒng)中四個檢測電阻的Vsense電壓。因此，與四個單通道電流傳感器相比，此架構(gòu)所需的靜態(tài)功耗更低。


 
圖二 : PAC195x-1 功能架構(gòu)圖

例如，如果將競爭對手的四信道電流傳感器的最大靜態(tài)電流與高質(zhì)量的單通道功率監(jiān)視器進行比較，可以看到將一個ADC用于四信道組件的既定優(yōu)勢。在85°C溫度下，以16位的分辨率進行四信道測量時，競品組件消耗的最大電流為450 μA。在以16位的分辨率進行單信道測量時，功率監(jiān)視器消耗的最大電流為400 μA，也就是說，四個通道總共消耗1600 μA。
最新的Microchip組件也可以執(zhí)行上述計算?，F(xiàn)在，我們以雙通道功率監(jiān)視器PAC1952為例，該組件在125°C溫度下消耗的最大靜態(tài)電流為495 μA。在功率測量方面，與競品組件消耗的最大靜態(tài)電流800 μA相比，系統(tǒng)功耗降低了1–（495/800） = 38%。

總結(jié)
使用多通道功率監(jiān)視器IC可以帶來以下的優(yōu)勢：
? 節(jié)省軟件開銷、縮短開發(fā)時間并降低程序復(fù)雜性；
? 縮短處于喚醒狀態(tài)的時間，同時傳感器可以累積數(shù)據(jù)；
? 減少主機上的接腳數(shù)或釋放更多的主機接腳以用作通用GPIO；
? 使用報警喚醒系統(tǒng)而不是輪詢偏差讀數(shù)，進而降低主機功耗。

最重要的是，使用多通道功率監(jiān)視器代替單通道功率監(jiān)視器可以顯著節(jié)省電能。正如來自多家供貨商的多個組件所示，基于共享ADC的架構(gòu)，將有助于降低對系統(tǒng)電壓軌進行功率監(jiān)控時產(chǎn)生的功耗，最高可降低38%。
（本文作者Mitch Polonsky 為Microchip Technology混合及線性訊號產(chǎn)品部資深產(chǎn)品營銷經(jīng)理）