了解電源監(jiān)視器精度

作者：Mark Thoren and Sal Afzal

在最終工廠測(cè)試期間（部署到現(xiàn)場(chǎng)之前）測(cè)量系統(tǒng)的功耗是任何產(chǎn)品測(cè)試程序的謹(jǐn)慎部分。但是，人們?cè)絹碓綇?qiáng)調(diào)將此功能引入產(chǎn)品本身，以便對(duì)功率、電流、電源電壓和能量進(jìn)行“運(yùn)行時(shí)”監(jiān)控。準(zhǔn)確監(jiān)控這些參數(shù)可為安排維護(hù)和預(yù)測(cè)故障提供有價(jià)值的診斷信息。它還可以幫助確?！熬G色”系統(tǒng)滿足其低功耗目標(biāo)。凌力爾特提供一系列產(chǎn)品，提供電壓、電流、功率和能量的運(yùn)行時(shí)測(cè)量。其中包括LTC2945、LTC2946和LTC4151等獨(dú)立監(jiān)視器，或?qū)⑦@些功能與熱插拔功能相結(jié)合的產(chǎn)品，如LTC4215 （用于+12V系統(tǒng)）、LTC4260 （用于+48V系統(tǒng)）和 LTC4261 （用于–48V系統(tǒng)）。所有這些設(shè)備本質(zhì)上都充當(dāng)“芯片上的萬用表”，但它們的精度如何？

精度規(guī)格困境

所有這些產(chǎn)品都指定了其測(cè)量通道的總非調(diào)整誤差（TUE），其中TUE是最壞情況下的誤差，在所有過程參數(shù)和溫度下測(cè)量，并將所有來源的誤差組合到一個(gè)規(guī)格中。它通常被描述為滿量程的百分比。

TUE通過提供所有條件下最壞情況誤差的最大界限來簡(jiǎn)化初步誤差分析，以單個(gè)數(shù)字表示。

然而，由于TUE是一個(gè)單一的規(guī)格，它經(jīng)常導(dǎo)致對(duì)整個(gè)輸入范圍內(nèi)的測(cè)量精度的混淆。通常，人們錯(cuò)誤地假設(shè)TUE誤差將在整個(gè)轉(zhuǎn)換器的輸入范圍內(nèi)發(fā)生，從而導(dǎo)致輸入范圍下限的嚴(yán)重不準(zhǔn)確。以 LTC2946 能量監(jiān)視器為例，ΔSENSE 通道的 TUE 規(guī)格規(guī)定為滿標(biāo)度的 0.6%。雖然此值對(duì)于接近滿量程的輸入可能很好，但對(duì)于小輸入可能不可接受的。TUE只是故事的一部分 - 當(dāng)輸入小于滿量程時(shí)，其他保證規(guī)格會(huì)將允許誤差限制在較小的值。

為了闡明整個(gè)輸入范圍內(nèi)的性能，必須了解各種ADC誤差源。本文將以配置為 10.24A 電流測(cè)量的 LTC2946 為例，重點(diǎn)介紹與電源監(jiān)視應(yīng)用最相關(guān)的 DC 誤差規(guī)格。電流檢測(cè)通道是需要研究的最復(fù)雜的測(cè)量，因?yàn)樗?LTC2946 的內(nèi)部誤差以及檢測(cè)電阻器的容差，而電源電流是一個(gè)在系統(tǒng)操作期間可能變化很大的參數(shù)。

錯(cuò)誤來源和規(guī)格

圖 1 示出了 LTC2946 數(shù)據(jù)手冊(cè)中的規(guī)格表。與我們的分析相關(guān)的規(guī)格包括TUE、滿量程電壓、LSB 步長(zhǎng)、失調(diào)誤差和 INL。

圖1.LTC2946 規(guī)格表

這些規(guī)格包括 LTC2946 內(nèi)部所有誤差的貢獻(xiàn)，包括 ADC、基準(zhǔn)、電流檢測(cè)運(yùn)放 （用于 ΔSENSE 通道）和內(nèi)部分壓器 （針對(duì) SENSE/V+DD通道）。圖 2 示出了 LTC2946 以及一個(gè)外部 10mΩ、1% 容差檢測(cè)電阻器的框圖。

圖2.LTC2946 顯示信號(hào)鏈的框圖

此分析的一個(gè)有用概念是傳遞函數(shù)的概念。這是SENSE和SENSE之間輸入電壓的映射+–引腳到數(shù)字輸出代碼。圖3顯示了一個(gè)假設(shè)的完美傳遞函數(shù)，其中零輸入產(chǎn)生零計(jì)數(shù)的輸出代碼，102.4mV的滿量程輸入產(chǎn)生4095計(jì)數(shù)的輸出代碼，這些點(diǎn)之間存在完美的線性關(guān)系。每個(gè)代碼轉(zhuǎn)換比前一次轉(zhuǎn)換正好高25μV。在這個(gè)完美的LTC2496中，永遠(yuǎn)不會(huì)有大于1LSB的誤差1.下面描述的錯(cuò)誤都偏離了這個(gè)理想。

1LTC2946 在 25μV 電壓下實(shí)現(xiàn)了從代碼 0 到代碼 1 的理想轉(zhuǎn)換。一些ADC經(jīng)過修整，以在1/2 LSB輸入下提供理想的轉(zhuǎn)換。

圖3.放大傳遞函數(shù);圖 3b：整個(gè)傳遞函數(shù)

失調(diào)誤差決定了精確測(cè)量小電流的能力

失調(diào)是 LTC2946 的輸出代碼，當(dāng)輸入為零時(shí)產(chǎn)生。對(duì)于 LTC2946，該誤差的最大值為 2.1LSB 或 52.5uV。這相當(dāng)于 0.057% 的誤差 – 大約是 TUE 規(guī)范的 10%。

圖4.正負(fù)失調(diào)誤差

請(qǐng)注意，偏移量可能是正數(shù)或負(fù)數(shù)。如果偏移量為正，則當(dāng)輸入為零時(shí)，輸出代碼將不為零。如果失調(diào)為負(fù)，ADC將在零處“箝位”或“供電軌”，并且輸入端需要一些小電壓才能產(chǎn)生非零輸出。因此，必須使用施加到輸入端的已知小電壓來評(píng)估失調(diào)。從ADC讀數(shù)中減去該電壓以計(jì)算失調(diào)。考慮具有最差情況負(fù)失調(diào)的LTC2946;施加等于 10 LSB （250μV） 的電壓將產(chǎn)生 7.9 LSB 的輸出代碼。從此輸出代碼中減去 10 LSB 得到 –2.1 LSB。類似地，對(duì)于具有正失調(diào)的LTC2946，輸出代碼將為12.1 LSB，減去10 LSB將產(chǎn)生+2.1LSB失調(diào)。

確實(shí)，施加該電壓會(huì)允許其他誤差源污染測(cè)量（增益誤差、線性度），但選擇測(cè)試電壓時(shí)，失調(diào)誤差仍然占主導(dǎo)地位，附加誤差可以忽略不計(jì)。

失調(diào)對(duì)我們的 10.24A 應(yīng)用的影響是，當(dāng)零電流流過檢測(cè)電阻器時(shí)，具有正失調(diào)的 LTC2946 可能指示電流高達(dá) 5.25mA，而具有負(fù)失調(diào)的 LTC2946 可能會(huì)繼續(xù)讀取零，直到 7.75mA 流過。當(dāng)電流為零時(shí)，檢測(cè)電阻的容差不會(huì)影響電流測(cè)量，并且對(duì)于小電流的影響很小。也就是說，LTC2946 失調(diào)是小電流的主要誤差源。

滿量程誤差決定了精確測(cè)量大電流的能力

全標(biāo)度誤差是 LTC2946 輸出代碼中的誤差，當(dāng)在 SENSE 輸入端施加一個(gè) 102.4mV 的理想全標(biāo)度電壓時(shí)產(chǎn)生該誤差。全標(biāo)度誤差包括 LTC2946 內(nèi)部的所有誤差源：失調(diào) （如前所述）、增益誤差和 INL（稍后定義）。檢測(cè)輸入的滿量程誤差是根據(jù)輸入電壓指定的，該輸入電壓將導(dǎo)致滿量程輸出：當(dāng)輸入為103mV時(shí)，具有負(fù)滿量程誤差的器件將輸出代碼4095，當(dāng)輸入為101.8mV時(shí)，具有正滿量程誤差的器件將輸出代碼4095。該規(guī)格可以“反轉(zhuǎn)”，用完美的102.4mV輸入產(chǎn)生的代碼來表示。102.4mV的輸入可以產(chǎn)生一個(gè)輸出代碼，指示最小值為101.8mV（輸出代碼4071）和最大值為103mV（輸出代碼4119）。

請(qǐng)注意，在最大情況下，輸出代碼將被“箝位”在4095，就像具有負(fù)偏移的器件的輸出將被箝位在零一樣。在這方面，滿量程誤差類似于失調(diào)誤差，即滿量程誤差是滿量程輸入時(shí)的端點(diǎn)誤差，而失調(diào)誤差是零輸入時(shí)的端點(diǎn)誤差。LTC2946 的全標(biāo)度誤差規(guī)格為 ±0.58% -- 略低于 0.6% TUE 規(guī)格。

為什么 TUE 規(guī)格不是簡(jiǎn)單的 0.58%？TUE規(guī)范允許的額外0.02%誤差允許傳遞函數(shù)的非線性，這將在稍后討論。

在計(jì)算滿量程誤差對(duì)10.24A應(yīng)用的影響時(shí)，必須考慮另一個(gè)誤差源 - 檢測(cè)電阻的容差。正好10.24A的電流流過1%容差的10mΩ電阻將產(chǎn)生低至10.24*0.01*0.99 = 92.16mV或高達(dá)10.24*0.01*1.01 = 103.42mV的電壓。該電壓中的誤差將直接增加 LTC2946 的全標(biāo)度誤差，該誤差隨后將反映在輸出代碼中。因此，測(cè)量的電流可以低至10.24 * 0.99 * （0.9942） = 10.079A或高達(dá)10.24 * 1.01 * 1.0058 = 10.402A。當(dāng)然，高位將被箝位在指示電流10.24A，因此我們可以計(jì)算產(chǎn)生滿量程輸出代碼的實(shí)際電流：101.8mV / （0.01 * 1.01） = 10.079A;任何高于此值的電流將繼續(xù)輸出代碼 4095。

圖5.滿量程誤差。

增益誤差通常不如滿量程誤差有用

增益誤差是理想傳遞函數(shù)與實(shí)際傳遞函數(shù)之間的斜率差，如圖6a所示。它需要沿傳遞函數(shù)的兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，最好靠近端點(diǎn)以考慮整個(gè)輸入范圍。作為數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格，增益誤差通常不如滿量程誤差用于直流電流和電壓測(cè)量，因?yàn)楫?dāng)失調(diào)誤差和滿量程誤差相等時(shí)，增益誤差可能為零。如圖6b所示，該器件具有失調(diào)誤差、滿量程誤差但增益完美的器件的傳遞函數(shù)。

LTC2946 電流測(cè)量應(yīng)用具有四個(gè)增益誤差源。LTC2946 內(nèi)部有三個(gè)：基準(zhǔn)電壓源、檢測(cè)放大器的增益 20 和 ADC 本身。外部檢測(cè)電阻的容差也直接影響電流測(cè)量的增益。

圖 6a. 非零增益誤差

圖 6b. 零增益誤差

增益誤差未在 LTC2946 數(shù)據(jù)手冊(cè)中單獨(dú)指定。但是，可以使用以下公式進(jìn)行估算：

增益誤差 = 滿量程誤差 – 失調(diào)誤差

考慮到失調(diào)和滿量程誤差的大小，增益誤差是滿量程誤差規(guī)范中的主要術(shù)語。

積分非線性是傳遞函數(shù)與直線的偏差

積分非線性（INL）定義為代碼轉(zhuǎn)換與其理想轉(zhuǎn)換點(diǎn)的偏差，不考慮失調(diào)誤差和滿量程誤差，如圖7所示。

圖7.INL 錯(cuò)誤

INL曲線的“形狀”由ADC的架構(gòu)決定。LTC2946 具有一個(gè)一階三角積分 ADC，該 ADC 往往會(huì)產(chǎn)生因器件而異的定性相似的 INL 曲線。圖8所示的典型INL曲線具有單個(gè)“弓形”，INL誤差逐漸增加至傳遞函數(shù)中心附近的最大值。因此，雖然數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)范允許器件在距離任一端點(diǎn)僅幾碼的地方具有最大INL誤差，但實(shí)際器件不會(huì)以這種方式運(yùn)行。

圖8.典型值 LTC2946 INL

LTC2946 的 2.5LSB INL 規(guī)格對(duì)典型電流監(jiān)視應(yīng)用的影響很小。在我們的10.24A示例應(yīng)用中，2.5LSB相當(dāng)于6.25mA，與失調(diào)誤差相當(dāng)，與161mA滿量程誤差相比微不足道。

將一切整合在一起

考慮我們的 10.24A LTC2946 示例，該電信板在沒有處理數(shù)據(jù)時(shí)消耗 5A 電流，滿負(fù)載時(shí)消耗 9A 電流。具有一個(gè) 10mΩ 電阻器的 LTC2946 用于實(shí)現(xiàn) 10.24A 全標(biāo)度是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，為較高的電流瞬變留出了一定的空間。如果TUE是唯一指定的誤差，則對(duì)于任何輸入電流（包括檢測(cè)電阻貢獻(xiàn)的誤差），測(cè)量誤差可能高達(dá)164mA。在9A電流測(cè)量中，164mA的誤差相當(dāng)不錯(cuò)，約為實(shí)際電流的1.8%，誤差將由檢測(cè)電阻的1%容差決定。在5A時(shí)，164mA誤差相當(dāng)于實(shí)際電流的3.22%，仍然足以進(jìn)行“健康狀態(tài)”測(cè)量。但是，如果應(yīng)用具有非常低的功耗休眠狀態(tài)或其他消耗電流明顯較小的工作模式，則164mA誤差將很麻煩。

應(yīng)用前面定義的其他規(guī)格表明，在低電流下，測(cè)量誤差明顯優(yōu)于TUE規(guī)格。當(dāng)電流為零時(shí)，檢測(cè)電阻兩端的電壓為零，最大誤差將由2.1LSB的失調(diào)規(guī)格決定。將此數(shù)字乘以25μV LSB得到52.5μV的失調(diào)，假設(shè)完美檢測(cè)電阻為10mΩ，則最大誤差為5.2mA。

同樣，滿量程下看到的最大誤差將受到滿量程誤差的限制，并導(dǎo)致之前計(jì)算的161mA誤差。

其余誤差由INL引起，它導(dǎo)致傳遞函數(shù)偏離其端點(diǎn)之間的理想直線。LTC2946 針對(duì) ΔSENSE 通道的 INL 規(guī)格為 2.5LSB 或 62.5μV。這意味著一個(gè)10mΩ檢測(cè)電阻的誤差為5.2mA。請(qǐng)注意，INL誤差將沿傳遞函數(shù)的某個(gè)位置達(dá)到最大值（見圖8），但對(duì)于接近零或滿量程的輸入，其貢獻(xiàn)很小。

這意味著，對(duì)于10A應(yīng)用，如果我們要引入1%電阻引入的誤差，我們將以約6.3mA的精度測(cè)量低電流。小輸入的主要誤差是失調(diào)誤差，而對(duì)于較大輸入，則主導(dǎo)誤差是 LTC2946 的全標(biāo)度誤差和檢測(cè)電阻器的容差。

圖 9 由本文檔隨附的方便的錯(cuò)誤計(jì)算器電子表格生成。它計(jì)算器件輸入范圍內(nèi)任何電壓的預(yù)期最大誤差。電子表格的輸入包括 TUE、滿量程誤差、偏移誤差和 INL。需要一個(gè)名為“INL構(gòu)建率”的附加參數(shù)來估計(jì)INL的貢獻(xiàn)。該參數(shù)以傳遞函數(shù)的百分比表示，允許INL誤差從零尺度和滿量程的零貢獻(xiàn)到接近傳遞函數(shù)中心的最大值。輸入零值將產(chǎn)生更保守的結(jié)果;輸入值 30 將更接近地模擬實(shí)際 LTC2946。

圖9.實(shí)際誤差與星期二

電壓測(cè)量精度

同樣的分析也適用于電壓測(cè)量。SENSE/V 的 0.4% TUE 規(guī)格+DD通道聽起來像是電源輸出的好數(shù)字;對(duì)于低壓線性穩(wěn)壓器，1%被認(rèn)為非常精確，考慮到大多數(shù)負(fù)載將接受36V至72V，48V電信電源的0.4%精度測(cè)量綽綽有余。但 48V 大約在 LTC2946 的 V 的中間在測(cè)量范圍102.4V;如果 0.4% TUE 是唯一的規(guī)格，則對(duì)測(cè)量的相對(duì)影響將大約翻倍：

48V 測(cè)量誤差 = 0.4% * （102.4 / 48V） = 0.8%

這對(duì)于 48V 電源來說仍然很好，但進(jìn)入 SENSE / V 的 LTC2946 規(guī)格+DD通道和48V測(cè)量輸入到電子表格中顯示誤差約為滿量程的0.25%。

結(jié)論

總未調(diào)整誤差是一種方便的精度規(guī)格，以單個(gè)數(shù)字表示。但是，了解所有精度規(guī)格對(duì)于了解整個(gè)輸入范圍內(nèi)的預(yù)期測(cè)量誤差至關(guān)重要。

審核編輯：郭婷