為了改善功耗，各運(yùn)營商、通信設(shè)備廠商、服務(wù)器廠商，積極采用動態(tài)休眠等技術(shù)智能化調(diào)節(jié)能耗，同時建立用電模型，加強(qiáng)對電費(fèi)的計量、監(jiān)測、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)測系統(tǒng)電流和功耗變得越來越重要。

對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)行評估和分析，通常首選分流電阻進(jìn)行測量電流，這種方法物理尺寸小、精度高并且溫度特性好。

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

圖.1

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

但是，分立的方案面臨幾個問題：

1.獲取電流和電壓信息經(jīng)過不同的器件和路徑，它們之間的延遲差異會在功耗測量中引起時間對準(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量之間的延遲，處理器通常需要為ADC通信和功耗計算 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)測分流電阻兩端的差分壓降，并轉(zhuǎn)化成數(shù)字輸出，同時可以監(jiān)測單端總線電壓，并后臺計算功耗信息，通過I2C、SMBUS上報給主控芯片。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)對高邊或者低邊、以及雙向電流的監(jiān)測。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步長僅為2.5μV，可準(zhǔn)確檢測小電流變化。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)行測量。TPA626內(nèi)置的16bit ADC，噪聲較低，因此無需通過放大輸入信號來提高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量和單端總線電壓測量之間進(jìn)行切換?？芍苯訙y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量的ADC轉(zhuǎn)換時間可編程為66μs至8.682ms之間。較長的轉(zhuǎn)換時間有助于降低噪聲敏感性和提高器件測量的穩(wěn)定性。

TPA626特點(diǎn)-7

除了可編程的ADC轉(zhuǎn)換時間之外，TPA626可對多達(dá)1024個轉(zhuǎn)換周期進(jìn)行平均計算，并在平均計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)換時間以及平均窗口期允許調(diào)節(jié)器件遙測更新速率以滿足系統(tǒng)時序需求。TPA626還具有可編程信號取平均值功能，以進(jìn)一步提高測量精度。

TPA626特點(diǎn)-8

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

TPA626特點(diǎn)-9

TPA626內(nèi)部以交錯方式分別測量分流電壓和總線電壓并計算功耗，從而最大限度減小功耗計算中的時間對準(zhǔn)誤差。內(nèi)部功耗計算在后臺完成，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ALERT引腳，它會在電流、功耗或總線電壓超出預(yù)期工作范圍時通知主機(jī)處理器?？蓪⒅鳈C(jī)處理器解放出來管理其他任務(wù)，同時TPA626具有可編程警報寄存器，用戶可以對該警報監(jiān)視器進(jìn)行配置，用以調(diào)整過流、過壓或過功率門限。

TPA626特點(diǎn)-11

支持I2C和SMBUS總線。具有16個可編程I2C地址，方便系統(tǒng)在一個總線上同時使用多個芯片。并且支持對異常時鐘中斷進(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景的數(shù)字通信需求。

結(jié)語

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、測試測量設(shè)備、工業(yè)PLC等各種產(chǎn)品的電流和功耗監(jiān)測，減輕系統(tǒng)處理器的負(fù)擔(dān)，幫助用戶及時精確掌握系統(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)營成本。除了監(jiān)控功耗，通過分析系統(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。