多電流監控疑難解析

一些使用電池供電的系統會配備多個電流傳感器或功率監視器，在這類系統中，多信道功率監視器將幫助設計人員大幅降低系統功耗和程序復雜性。具體來說，與重復使用單信道組件相比，選擇多信道組件進行功率測量時能夠降低至少38%的功耗。此外，由主機處理器維護的功率監控活動可以進入休眠模式，以保留更多的處理能力用于其他活動。
 
遺憾的是，首先需要就命名法達成一致。現在有多個不同的短語被用來指稱這一組件類別， 有些人稱之為上橋臂電流傳感器（high-side current sensors）、電流傳感器（current sensor），或是功率監視器IC（power monitor IC）。這類組件具有數字接口，輸入可直接連接到高于5V的電壓軌，可測量通過檢測電阻的電流、電壓和功率。這類功率監視器具有一個既定優勢，即能夠連接到較高的電壓。有些功率監視器最高可以承受100V的電壓，而其他中階組件最高只能承受32V的電壓。因此，有了這類組件，便無需在高壓應用中使用外部組件。

圖一以一個簡單的架構圖標來輔助說明該組件類別。ADI（Maxim，LT）、TI、Renesas（Intersil）和Microchip都有此類組件。Maxim將這類組件稱為帶有數字輸出的電流傳感器，而ADI稱這類組件為功率監視器。TI和Microchip都將這類組件稱為電流/電壓/功率監視器，因此命名法的一致性得以延續。


 
圖一 : 主機處理器和模擬電流傳感器

既然命名法的問題已經解決了，我們來回顧一下這類組件的一些優勢，以及如何利用多通道版本來降低功耗。本文首先介紹整合ADC的主機處理器，主機需要持續通電以測量位于電路板上其他位置的電流傳感器。如果系統僅使用不超過5V的電源電壓，則可能只需要簡單的運算放大器和電阻即可測量系統的功率。要降低監控活動產生的系統功耗，可以執行周期性輪詢（periodic polling）。

然而，這并沒有解決關鍵電源軌需要更加主動的管理的問題。這種管理可用于測量和優化電源效率或了解剩余電池壽命。在任一情況下，如果可以使用具有限值的獨立電流傳感器實現中斷功能，則主機處理器可以在較低功耗狀態下堅持更長的時間。因此，在需要監控關鍵電源軌的應用中會發現一個缺陷，即主機處理器“always on”。

許多主機處理器還有另外一個缺陷，即如果要連接高于5V的更高電壓軌，則必須保護組件，如此可以看到上橋臂電流傳感器的優勢。現在，試想一個純模擬上橋臂電流傳感器。這類電流傳感器的一般模式電壓高達100V以上。這類組件可以直接連接到更高的電壓軌，無需外部保護組件。此外，這類組件仍向主機控制器提供訊號，這些訊號代表系統中的電流和功率。

事實上，既然討論的主題是多信道功率監控，則應該注意，即使是模擬電流傳感器也有多信道選項。在此，模擬電流傳感器的主動功耗通常等于單個組件的功耗乘以通道數。亦即假如單通道模擬電流傳感器（例如INA290）的最大靜態電流為600 μA，那么在相同的工作條件下，同一系列中的雙信道版本INA2290的靜態電流為1200 μA。

功率監視器IC
接著介紹功率監控IC主題，這是一種混合訊號組件。對于選用“always on”的主機控制器和模擬電流傳感器的系統，下文將介紹功率監視器對其進行改進的方式。

首先，功率監視器獨立于主機控制器計算芯片功耗。該組件使用的方法仍與模擬電流檢測放大器相同，但比其更進一步，可通過整合ADC和倍頻器實現功率的數字表示，然后再透過數字接口將該數字值傳輸到緩存器；由此提供數字功率計算。因此，系統主機處理器可以有下列的好處：
? 節省監控一個或多個模擬電流傳感器產生的軟件開銷、縮短開發時間并降低程序復雜性;
? 縮短處于喚醒狀態的時間，同時傳感器可以累積數據。

其次，功率監視器還有一項附加優勢，即可以通過使用共享通訊總線減少主機需要的接腳數。許多通用傳感器使用共享接口，因此可與額外的功率監視器、溫度傳感器和內存等共享這些總線。使用多個單通道模擬電流傳感器時則沒有這樣的優勢，因為它們需要在主機上使用額外的接腳。此外，這也意味著有更多的GPIO被作為一般功能使用。
第三，功率監視器允許系統等待警告訊號而不是輪詢讀數，因此可以降低主機功耗。在此等待期間，主機可以選擇保持在功耗較低的休眠或待機狀態，以節省更多的系統電池電量，同時由功率監視器監控關鍵電壓軌的偏差。

使用多通道功率監視器降低功耗
最后，敘述多信道功率監視器主題。與單信道組件有所不同，這類多通道功率監視器能夠構建循環采樣和報告架構，進而降低系統功耗。大多數公司都使用類似的架構，因此將透過用于PAC1954的Microchip架構來進行說明。

請注意，PAC1954組件具有一個用于測量Vsense的ADC，透過對這一功能模塊進行多任務，可以測量和報告系統中四個檢測電阻的Vsense電壓。因此，與四個單通道電流傳感器相比，此架構所需的靜態功耗更低。


 
圖二 : PAC195x-1 功能架構圖

例如，如果將競爭對手的四信道電流傳感器的最大靜態電流與高質量的單通道功率監視器進行比較，可以看到將一個ADC用于四信道組件的既定優勢。在85°C溫度下，以16位的分辨率進行四信道測量時，競品組件消耗的最大電流為450 μA。在以16位的分辨率進行單信道測量時，功率監視器消耗的最大電流為400 μA，也就是說，四個通道總共消耗1600 μA。
最新的Microchip組件也可以執行上述計算。現在，我們以雙通道功率監視器PAC1952為例，該組件在125°C溫度下消耗的最大靜態電流為495 μA。在功率測量方面，與競品組件消耗的最大靜態電流800 μA相比，系統功耗降低了1–（495/800） = 38%。

總結
使用多通道功率監視器IC可以帶來以下的優勢：
? 節省軟件開銷、縮短開發時間并降低程序復雜性；
? 縮短處于喚醒狀態的時間，同時傳感器可以累積數據；
? 減少主機上的接腳數或釋放更多的主機接腳以用作通用GPIO；
? 使用報警喚醒系統而不是輪詢偏差讀數，進而降低主機功耗。

最重要的是，使用多通道功率監視器代替單通道功率監視器可以顯著節省電能。正如來自多家供貨商的多個組件所示，基于共享ADC的架構，將有助于降低對系統電壓軌進行功率監控時產生的功耗，最高可降低38%。
（本文作者Mitch Polonsky 為Microchip Technology混合及線性訊號產品部資深產品營銷經理）