助力綠色5G數(shù)字式電流和功率監(jiān)測(cè)芯片-TPA626

為了改善功耗，各運(yùn)營(yíng)商、通信設(shè)備廠商、服務(wù)器廠商，積極采用動(dòng)態(tài)休眠等技術(shù)智能化調(diào)節(jié)能耗，同時(shí)建立用電模型，加強(qiáng)對(duì)電費(fèi)的計(jì)量、監(jiān)測(cè)、監(jiān)控和用電優(yōu)化。在5G的熱潮中，“綠色”發(fā)展應(yīng)是最優(yōu)先考慮因素。所以精確監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電流和功耗變得越來(lái)越重要。

對(duì)幾十伏電壓和百安培以內(nèi)的系統(tǒng)電流和功率信息進(jìn)行評(píng)估和分析，通常首選分流電阻進(jìn)行測(cè)量電流，這種方法物理尺寸小、精度高并且溫度特性好。

用于測(cè)量并轉(zhuǎn)換在分流電阻上產(chǎn)生的信號(hào)的方法有多種。最常見(jiàn)的方法是采用模擬前端將電流感測(cè)電阻的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)。然后，將單端信號(hào)連接到與微控制器相連的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。

圖.1

圖1顯示了電流感測(cè)信號(hào)鏈。為了得到功耗信息，還需要對(duì)系統(tǒng)電壓使用ADC采樣，然后在處理器中對(duì)結(jié)果做乘法以獲得功耗。

但是，分立的方案面臨幾個(gè)問(wèn)題：

1.獲取電流和電壓信息經(jīng)過(guò)不同的器件和路徑，它們之間的延遲差異會(huì)在功耗測(cè)量中引起時(shí)間對(duì)準(zhǔn)誤差，因?yàn)殡娏骱碗妷憾伎梢员舜霜?dú)立地變化。

2.為了盡可能減小電壓和電流測(cè)量之間的延遲，處理器通常需要為ADC通信和功耗計(jì)算 提供足夠的處理能力。這將加重處理器執(zhí)行額外功能的負(fù)擔(dān)，或者降低電壓/電流測(cè)量的精度。

3.分立方案需要單獨(dú)選擇高邊/低邊電流采樣運(yùn)放、ADC、參考電壓、分壓電阻等，增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和難度。

為了更好的監(jiān)控系統(tǒng)功耗，3PEAK開發(fā)了一款專門面向電流感測(cè)和功耗監(jiān)控應(yīng)用的數(shù)字式電流和功率監(jiān)控芯片--TPA626.

TPA626具備專業(yè)特性，可直接監(jiān)測(cè)分流電阻兩端的差分壓降，并轉(zhuǎn)化成數(shù)字輸出，同時(shí)可以監(jiān)測(cè)單端總線電壓，并后臺(tái)計(jì)算功耗信息，通過(guò)I2C、SMBUS上報(bào)給主控芯片。其主要特點(diǎn)如下：

TPA626特點(diǎn)-1

TPA626電流采樣輸入端具有 +/-81.92mV 的滿量程輸入范圍，可直接對(duì)分流電阻電壓進(jìn)行采樣。輸入共模范圍高達(dá)0V to 36V，可實(shí)現(xiàn)對(duì)高邊或者低邊、以及雙向電流的監(jiān)測(cè)。TPA626自身供電僅需低壓，可支持2.7V to 5.5V供電。

TPA626特點(diǎn)-2

LSB步長(zhǎng)僅為2.5μV，可準(zhǔn)確檢測(cè)小電流變化。最大增益誤差0.4%，溫漂特性良好。

TPA626特點(diǎn)-3

TPA626專門優(yōu)化的小輸入范圍使器件能夠直接在電流感應(yīng)電阻器上進(jìn)行測(cè)量。TPA626內(nèi)置的16bit ADC，噪聲較低，因此無(wú)需通過(guò)放大輸入信號(hào)來(lái)提高ADC的滿量程輸入范圍，避免了更多的誤差源。ADC架構(gòu)經(jīng)過(guò)特殊優(yōu)化，結(jié)合較低的輸入噪聲和快速的采樣速度。與通用16位ADC相比，TPA626的最小分辨電壓能力要高出30倍以上。

TPA626特點(diǎn)-4

集成高精度VREF，有良好的初始精度和低至10ppm左右的溫漂，為整體性能提供了保障。加上前端優(yōu)化的ADC結(jié)構(gòu)，全芯片的增益誤差在全溫范圍內(nèi)非常穩(wěn)定。

TPA626特點(diǎn)-5

TPA626具有輸入多路復(fù)用器，支持ADC輸入電路在差分分流電壓測(cè)量和單端總線電壓測(cè)量之間進(jìn)行切換。可直接測(cè)量高達(dá)36V的總線電壓。

TPA626特點(diǎn)-6

用于分流電壓和總線電壓測(cè)量的ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間可編程為66μs至8.682ms之間。較長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換時(shí)間有助于降低噪聲敏感性和提高器件測(cè)量的穩(wěn)定性。

TPA626特點(diǎn)-7

除了可編程的ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間之外，TPA626可對(duì)多達(dá)1024個(gè)轉(zhuǎn)換周期進(jìn)行平均計(jì)算，并在平均計(jì)算完成后即可更新內(nèi)部功耗、電流和電壓寄存器?？删幊剔D(zhuǎn)換時(shí)間以及平均窗口期允許調(diào)節(jié)器件遙測(cè)更新速率以滿足系統(tǒng)時(shí)序需求。TPA626還具有可編程信號(hào)取平均值功能，以進(jìn)一步提高測(cè)量精度。

TPA626特點(diǎn)-8

TPA626配有一個(gè)內(nèi)部寄存器，用戶可根據(jù)電流感應(yīng)電阻器的值對(duì)其進(jìn)行編程。TPA626可以在每次轉(zhuǎn)換時(shí)直接將測(cè)量的分流電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流值，加上電壓測(cè)量、計(jì)算功率，并通過(guò)雙線串行總線向處理器提供數(shù)據(jù)。

TPA626特點(diǎn)-9

TPA626內(nèi)部以交錯(cuò)方式分別測(cè)量分流電壓和總線電壓并計(jì)算功耗，從而最大限度減小功耗計(jì)算中的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)誤差。內(nèi)部功耗計(jì)算在后臺(tái)完成，不影響ADC轉(zhuǎn)換速率或數(shù)字總線通信。

TPA626特點(diǎn)-10

TPA626有一個(gè)ALERT引腳，它會(huì)在電流、功耗或總線電壓超出預(yù)期工作范圍時(shí)通知主機(jī)處理器。可將主機(jī)處理器解放出來(lái)管理其他任務(wù)，同時(shí)TPA626具有可編程警報(bào)寄存器，用戶可以對(duì)該警報(bào)監(jiān)視器進(jìn)行配置，用以調(diào)整過(guò)流、過(guò)壓或過(guò)功率門限。

TPA626特點(diǎn)-11

支持I2C和SMBUS總線。具有16個(gè)可編程I2C地址，方便系統(tǒng)在一個(gè)總線上同時(shí)使用多個(gè)芯片。并且支持對(duì)異常時(shí)鐘中斷進(jìn)行自恢復(fù)處理。雙線總線適用于于非隔離和隔離等各種場(chǎng)景的數(shù)字通信需求。

結(jié)語(yǔ)

TPA626

TPA626的高壓輸入、高集成度、高精度、低壓供電以及靈活的數(shù)字處理功能，和雙線I2C和SMBUS接口等特性，使得其可廣泛應(yīng)用于通信設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、測(cè)試測(cè)量設(shè)備、工業(yè)PLC等各種產(chǎn)品的電流和功耗監(jiān)測(cè)，減輕系統(tǒng)處理器的負(fù)擔(dān)，幫助用戶及時(shí)精確掌握系統(tǒng)功耗，并據(jù)此進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)節(jié)能并降低運(yùn)營(yíng)成本。除了監(jiān)控功耗，通過(guò)分析系統(tǒng)的電流水平，可以診斷意外的或非預(yù)期的工作模式，從而可以進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整以提高可靠性或保護(hù)系統(tǒng)元件免受損壞。