采用MAX5977雙域電流監(jiān)測應(yīng)用電路

　　如何利用MAX5977 熱插拔控制器和單路ADC，準(zhǔn)確監(jiān)測兩個(gè)不同量程的負(fù)載電流：大功率主系統(tǒng)電流和低功率輔助系統(tǒng)電流。MAX5976集成MOSFET功率開關(guān)，為輔助系統(tǒng)提供簡單、高性價(jià)比功率控制。盡管MAX5977組合了兩個(gè)不同“域”的監(jiān)測功能，但兩個(gè)“域”的保護(hù)和控制完全獨(dú)立，提高了可靠性和安全性。當(dāng)存儲、處理或網(wǎng)絡(luò)接口卡用于高可用性（始終保持工作狀態(tài)）系統(tǒng)時(shí)，必須采用熱插拔控制器。負(fù)載卡插入系統(tǒng)或從系統(tǒng)拔出時(shí)，這種熱插拔電路控制其電源的打開和關(guān)閉。它還防止系統(tǒng)在板卡故障條件下發(fā)生過流。一些更先進(jìn)的熱插拔控制器還具有負(fù)載電壓、電流監(jiān)測功能，可用于計(jì)算負(fù)載功率。這種信息對于優(yōu)化效率、制冷及分配有限的電源輸出非常有用。本文介紹了如何利用MAX5977熱插拔控制器和一路ADC，精確監(jiān)測兩個(gè)獨(dú)立“域”的負(fù)載電流，而MAX5976集成的MOSFET功率開關(guān)為輔助“域”的電源控制提供了簡單、高性價(jià)比方案。

　　MAX5977校準(zhǔn)功能

　　Maxim的MAX5977能夠支持熱插拔控制器常見功能，驅(qū)動高邊n溝道MOSFET開關(guān)控制導(dǎo)通壓擺率，并保護(hù)過流。此外，MAX5977還具有高精度電流檢測跨導(dǎo)放大器，增益為2500μA/V，將檢測信號饋送到外部ADC，進(jìn)行負(fù)載電流監(jiān)測。為了精確校準(zhǔn)電流檢測系統(tǒng)，MAX5977可以將其跨導(dǎo)放大器的輸入切換到“校準(zhǔn)檢測”輸入。該功能由CAL輸入控制。

　　CAL為邏輯低時(shí)，電流檢測放大器檢測IN和SENSE之間的電壓，于是在CSOUT輸出一路等于（VIN- VSENSE） × 2500μA/V的電流，用于正常工作模式下的電流監(jiān)測。然而，如果CAL被驅(qū)動為邏輯高，MAX5977將電流檢測放大器的負(fù)輸入切換至 CALSENSE，于是CSOUT電流等于（VIN- VCALSENSE） × 2500μA/V。如果在IN和CALSENSE之間加一個(gè)精密電壓，該模式可用于采集數(shù)據(jù)，用于放大器和ADC的增益和漂移校準(zhǔn)。MAX5977的這種典型應(yīng)用如圖1所示，其中用精密流入電流源和校準(zhǔn)電阻建立CALSENSE信號。

　　圖1. MAX5977典型應(yīng)用，帶有滿幅電流檢測校準(zhǔn)信號。

　　測量兩個(gè)電源域的電流

　　因?yàn)镸AX5977的校準(zhǔn)功能本質(zhì)上是一個(gè)用于精密電流檢測放大器的輸入復(fù)用器，所以只要兩個(gè)電阻被連接于一個(gè)共用IN電位，就可將其用于交替測量電流檢測電阻。圖2所示為一個(gè)基本應(yīng)用電路。主電流檢測電阻連接至SENSE輸入，輔助（內(nèi)務(wù)域）檢測電阻連接至CALSENSE輸入。所以可獨(dú)立測量兩個(gè)域的負(fù)載電流。MAX5977為高功率域提供控制和保護(hù)，簡單集成的負(fù)載開關(guān)（例如MAX5976），控制和保護(hù)低功率內(nèi)務(wù)域。

　　圖2. MAX5977用于雙域電流監(jiān)測的應(yīng)用電路。

　　微控制器采集和處理被ADC數(shù)字化的負(fù)載電流數(shù)據(jù)，ADC可為外部或集成至微控制器本身。為了測量主電流，微控制器驅(qū)動CAL為低電平，短暫等待CSOUT 達(dá)到穩(wěn)定，然后命令A(yù)DC進(jìn)行轉(zhuǎn)換并報(bào)告結(jié)果。同樣，為了測量輔助輸入，微控制器將CAL驅(qū)動為高電平，重復(fù)相同的基本序列。

　　因?yàn)閮蓚€(gè)域的跨導(dǎo)輸出信號共用同一CSOUT、增益設(shè)置電阻，所以應(yīng)選擇輔助和主電流檢測電阻的值來簡化定標(biāo)或提供最佳分辨率。為了簡化定標(biāo)及主和輔助電流求和，檢測電阻應(yīng)采用相同值。這樣就允許兩個(gè)電流測量值直接求和，確定兩個(gè)域的總電流。為了獲得最佳分辨率，兩個(gè)電流檢測信號應(yīng)有相同的滿幅輸出電壓送至ADC。選擇的主和輔助檢測電阻的值與兩個(gè)域的最大負(fù)載電流具有相同的比值。

　　這可確保兩個(gè)域在滿荷條件下在CSOUT上的滿幅輸出相同。例如，圖1電路的主通路采用1mΩ，輔助通路采用20mΩ，意味著滿荷主電流將為滿荷輔助電流的20倍。作為方便求和與獲得良好分辨率的折中方案，選擇的輔助檢測電阻可為主檢測電阻的2的整次方倍。該倍數(shù)應(yīng)近似為以上所述的最大負(fù)載電流比值。采用這種方法，微控制器中簡單的二進(jìn)制左移位操作即可將主電流轉(zhuǎn)換結(jié)果縮放為相同單位的輔助電流結(jié)果。

　　定時(shí)和采樣

　　圖3中的MAX5977驅(qū)動40.0kΩ CSOUT電阻，CAL以20kHz開關(guān)。本例中，VIN- VSENSE= 5mV，VIN- VCALSENSE= 25mV。CAL為低電平時(shí)，VCSOUT為5mV × 2500μA/V × 40.0kΩ = 500mV；CAL為高電平時(shí)，VCSOUT= 25mV × 2500μA/V × 40.0kΩ = 2500mV。這些電平分別對應(yīng)于2.5V ADC滿幅輸出的的20%和100%。原始CSOUT信號在CAL上升或下降沿的10μs內(nèi)能很好地穩(wěn)定。當(dāng)增加MAX4236精密放大器來調(diào)理和緩沖高阻CSOUT信號時(shí)，其0.3V/μs的典型輸出擺率足以提供近似的相同穩(wěn)定時(shí)間。

　　應(yīng)用中可能會采用MAX1393真差分、12位SAR ADC數(shù)字化經(jīng)緩沖的CSOUT信號。對于SPI?驅(qū)動ADC，一次轉(zhuǎn)換需要16個(gè)串行總線時(shí)鐘周期。在2MHz串行數(shù)據(jù)率下，可在8μs內(nèi)完成轉(zhuǎn)換。實(shí)際上，因?yàn)樵揂DC采用了采樣-保持輸入電路，所以實(shí)際轉(zhuǎn)換可能發(fā)生在CAL輸入被切換且CSOUT穩(wěn)定至新值時(shí)。圖4所示為緩沖CSOUT信號及以 10ksps為采樣每路信號提供串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘定時(shí)的例子。

　　圖4. MAX1393 ADC為兩個(gè)電源域采樣負(fù)載電流，均為10ksps。

　　使用MAX5977校準(zhǔn)功能測量兩路不同的電流通路具有多項(xiàng)優(yōu)勢。校準(zhǔn)功能本身無需外部復(fù)用器，能處理檢測電阻處的高共模電壓，降低了尺寸和復(fù)雜性。僅需一個(gè)ADC，大大降低了方案的成本。因?yàn)閮煞N測量使用相同的電流檢測放大器和增益設(shè)置電阻，所以兩個(gè)域的測量精度相同。如果希望對電流檢測信號濾波，可圍繞緩沖放大器實(shí)現(xiàn)，僅需一組濾波器元件。該方案還增加了靈活性，因?yàn)槲⒖刂破骺筛鶕?jù)情況分配測量主和輔助電流的時(shí)間和資源。例如，可交替測量兩個(gè)域?；蛘呦到y(tǒng)可主要集中于測量和監(jiān)測主通路，僅僅偶爾“抽檢”輔助通路。也就是說，可根據(jù)工作狀態(tài)在主和輔助通路之間分配系統(tǒng)的監(jiān)測“帶寬”。盡管MAX5977組合了兩個(gè)域的監(jiān)測功能，但兩個(gè)域的保護(hù)和控制是完全獨(dú)立的，提高了可靠性和安全性。

　　與專用的電流檢測放大器相比，MAX5977的校準(zhǔn)功能非常獨(dú)特，MAX5977熱插拔和電子斷路器功能組合尤其值得注意。它不僅可用于實(shí)現(xiàn)在線校準(zhǔn)，而且亦可用于測量兩個(gè)獨(dú)立電源域的負(fù)載電流，簡化高可靠性負(fù)載卡的設(shè)計(jì)和工作。