帶校準輸入的熱插拔控制器可精確監(jiān)控兩個負載電流

本應用筆記介紹如何利用MAX5977熱插拔控制器和單個ADC，對兩個域的負載電流進行精密、獨立的監(jiān)測：高功率初級域和低功耗內(nèi)務域。MAX5976集成MOSFET功率開關可用于為內(nèi)務管理領域提供簡單、高性價比的電源控制。盡管MAX5977結(jié)合了兩個域的監(jiān)視功能，但兩個域的保護和控制仍然完全獨立，從而提高了可靠性和安全性。

介紹

當存儲、處理或網(wǎng)絡接口卡設計為在高可用性（始終在線）系統(tǒng)中進行維修或更換時，必須使用熱插拔或熱插拔控制器。此熱插拔電路控制卡在系統(tǒng)插入和拔出時打開和關閉卡的電源。它還可以在負載卡發(fā)生故障時保護系統(tǒng)免受過流的影響。更復雜的熱插拔控制器現(xiàn)在包括允許監(jiān)控負載電壓和電流的功能，這些功能又可用于計算負載功率。此信息對于優(yōu)化效率、冷卻和有限電源輸出的分配非常有用。

當負載卡變得更大、更復雜時，最好將卡的電源分成兩個或多個域，其中一個域是功率要求較低的“內(nèi)務管理”電源，另一個域為卡提供主電源。這種方法允許出于管理目的首先啟動，最后關閉，而高功率域則單獨控制。但是，如果需要功率監(jiān)控或計量，將電源分成兩個域通常需要使用兩個單通道熱插拔控制器（或至少一個雙通道控制器）來測量兩個域的功率。

本應用筆記介紹如何使用MAX5977熱插拔控制器和單個ADC，對兩個域的負載電流進行精密、獨立的監(jiān)測，同時MAX5976集成MOSFET電源開關為內(nèi)務管理域提供簡單、經(jīng)濟高效的電源控制。

MAX5977校準功能

Maxim的MAX5977執(zhí)行熱插拔控制器的常用功能，驅(qū)動高邊n溝道MOSFET開關，以控制導通電壓轉(zhuǎn)換速率并防止過流情況。此外，MAX5977還包括一個增益為2500μA/V的精密檢流跨導放大器，可用于饋送外部ADC用于負載電流監(jiān)測。為了對電流檢測系統(tǒng)進行精密校準，MAX5977可以將跨導放大器的輸入切換為備用的“校準檢測”輸入。此功能由 CAL 輸入控制。

當CAL邏輯低電平時，電流檢測放大器檢測IN和SENSE之間的電壓，因此電流相當于（V在- 五意義） CSOUT 輸出× 2500μA/V，用于正常工作期間的電流監(jiān)控。但是，如果CAL被驅(qū)動為高電平，MAX5977將電流檢測放大器的負輸入切換至CALSENSE，使得CSOUT電流等于（V在- 五卡爾森斯） × 2500μA/V。如果在IN和CALSENSE之間施加精密電壓，則此模式可用于收集放大器和ADC的增益和失調(diào)校準數(shù)據(jù)。MAX5977的典型應用如圖1所示，其中使用精密吸電流和校準電阻建立CALSENSE信號。

圖1.MAX5977的典型應用具有滿量程電流檢測校準信號。

測量兩個電源域中的電流

由于MAX5977的校準功能本質(zhì)上是精密檢流放大器的輸入多路復用器，因此只要兩個電阻都連接到公共IN電位，就可以重新用于測量交替檢流電阻?；緫秒娐啡鐖D2所示。主檢流電阻器連接到 SENSE 輸入端，而輔助（內(nèi)務管理域）檢流電阻器連接到 CALSENSE 輸入端。然后可以獨立測量兩個域中每個域的負載電流。MAX5977為大功率域提供控制和保護，而簡單的集成負載開關（如MAX5976）則控制和保護低功耗內(nèi)務管理域。

圖2.MAX5977應用電路，用于雙域電流監(jiān)測。

微控制器收集和處理由ADC數(shù)字化的負載電流數(shù)據(jù)，ADC可以是外部的，也可以集成到微控制器本身中。為了測量主電流，微控制器將CAL驅(qū)動為低電平，短暫等待CSOUT建立，然后命令ADC轉(zhuǎn)換并傳輸結(jié)果。同樣，為了測量輔助電流，微控制器重復相同的基本序列，CAL驅(qū)動高電平。

由于兩個域的跨導輸出信號將共享同一個CSOUT增益設置電阻，因此應選擇輔助和主檢流電阻的值，以簡化縮放或提供最佳分辨率。

為了簡化主電流和輔助電流的縮放和求和，檢測電阻應為相同的值。這允許將兩個電流測量值直接相加，以確定兩個域的總電流。

為了獲得最佳分辨率，兩個電流檢測信號應具有相同的滿量程輸出電壓，以便為ADC供電。這可以通過選擇主檢測電阻和輔助檢測電阻的值來實現(xiàn)，其比率與兩個域的最大負載電流相同：

我主要（最大）/我輔助（最大）= R卡爾森斯/R意義

這可確保在滿載條件下，兩個域的CSOUT滿量程電壓相同。例如，圖1電路的主路徑為1mΩ，輔助路徑為20mΩ，表明滿載主電流將是滿載輔助電流的20倍。

為了提供易于求和并實現(xiàn)良好分辨率的折衷方案，請選擇輔助檢測電阻作為主檢測電阻的二進制倍數(shù)。該倍數(shù)應近似于上述最大負載電流比。通過這種安排，微控制器中的簡單二進制左移操作將主電流轉(zhuǎn)換結(jié)果縮放到與輔助電流結(jié)果相同的“單位”。

定時和采樣

圖3所示為MAX5977驅(qū)動40.0kΩ CSOUT電阻，CAL開關頻率為20kHz。在此示例中，V在- 五意義= 5mV 和 V在- 五卡爾森斯= 25mV。當 CAL 為低時，V摳枝末在 2500μA/V × 40.0kΩ = 500mV ×時為 5mV，當 CAL 為高電平時，V摳枝末= 25mV × 2500μA/V × 40.0kΩ = 2500mV。這些電平分別對應于2.5V ADC滿量程輸入的20%和100%。原始CSOUT信號在CAL上升沿或下降沿的10μs內(nèi)建立良好。當增加MAX4236精密放大器來調(diào)節(jié)和緩沖高阻抗CSOUT信號時，其0.3V/μs的典型輸出壓擺率足夠快，可以提供大致相同的建立時間。

一種可能的應用是使用

MAX1393

真差分、12位SAR ADC對緩沖的CSOUT信號進行數(shù)字化處理。對于這種SPI?驅(qū)動的ADC，一次轉(zhuǎn)換需要16個串行總線時鐘周期。在2MHz串行數(shù)據(jù)速率下，轉(zhuǎn)換可在8μs內(nèi)完成。事實上，由于該ADC采用采樣保持輸入電路，因此在切換CAL輸入且CSOUT建立到新值時，可能會發(fā)生實際轉(zhuǎn)換。

圖4

顯示了緩沖CSOUT信號和串行數(shù)據(jù)時鐘時序的示例，用于以10ksps的速度對每個信號進行采樣。

圖4.MAX1393 ADC采樣負載電流，用于兩個電源域，每個電源域采樣10ksps。

優(yōu)勢

使用MAX5977校準功能測量兩條不同的電流路徑具有多種優(yōu)勢。

校準功能本身無需外部多路復用器來處理檢測電阻的高共模電壓，從而減小了尺寸和復雜性。只需一個ADC，大大降低了解決方案的成本。由于兩種測量都使用相同的電流檢測放大器和增益設置電阻，因此兩個域的測量精度相同。如果需要對電流檢測信號進行濾波，可以在緩沖放大器周圍實現(xiàn)，并且只需要一組濾波器元件。

該解決方案還增加了靈活性，因為微控制器可以根據(jù)需要分配時間和資源來測量主電流和輔助電流。例如，兩個域的測量可以一對一交替進行。或者，系統(tǒng)可以主要專注于測量和監(jiān)控主路徑，僅偶爾對輔助路徑進行定期“抽查”。換句話說，系統(tǒng)的監(jiān)控“帶寬”可以根據(jù)運行狀態(tài)在主路徑和輔助路徑之間進行不同的分配。

盡管MAX5977結(jié)合了兩個域的監(jiān)視功能，但兩個域的保護和控制仍然完全獨立，從而提高了可靠性和安全性。

結(jié)論

與專用電流檢測放大器相比，MAX5977的校準功能是獨一無二的，與MAX5977的熱插拔和電子斷路器功能結(jié)合使用時尤其值得注意。它不僅可以用于實現(xiàn)在線校準，還可以用于測量兩個獨立電源域的負載電流，從而簡化高可靠性負載卡的設計和操作。

審核編輯：郭婷