為了改善功耗，各運營商、通信設備廠商、服務器廠商，積極采用動態(tài)休眠等技術智能化調節(jié)能耗，同時建立用電模型，加強對電費的計量、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)電流和功率信息進行評估和分析，通常首選分流電阻進行測量電流，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誤差，因為電流和電壓都可以彼此獨立地變化。

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)行額外功能的負擔，或者降低電壓/電流測量的精度。

3.分立方案需要單獨選擇高邊/低邊電流采樣運放、ADC、參考電壓、分壓電阻等，增加系統(tǒng)設計的復雜性和難度。

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。其主要特點如下：

TPA626特點-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行采樣。輸入共模范圍高達0V to 36V，可實現(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-2

LSB步長僅為2.5μV，可準確檢測小電流變化。最大增益誤差0.4%，溫漂特性良好。

TPA626特點-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電阻器上進行測量。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架構經(jīng)過特殊優(yōu)化，結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-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結構，全芯片的增益誤差在全溫范圍內(nèi)非常穩(wěn)定。

TPA626特點-5

TPA626具有輸入多路復用器，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行切換?？芍苯訙y量高達36V的總線電壓。

TPA626特點-6

用于分流電壓和總線電壓測量的ADC轉換時間可編程為66μs至8.682ms之間。較長的轉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-7

除了可編程的ADC轉換時間之外，TPA626可對多達1024個轉換周期進行平均計算，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。可編程轉換時間以及平均窗口期允許調節(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，以進一步提高測量精度。

TPA626特點-8

TPA626配有一個內(nèi)部寄存器，用戶可根據(jù)電流感應電阻器的值對其進行編程。TPA626可以在每次轉換時直接將測量的分流電壓轉換為相應的電流值，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-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誤差。內(nèi)部功耗計算在后臺完成，不影響ADC轉換速率或數(shù)字總線通信。

TPA626特點-10

TPA626有一個ALERT引腳，它會在電流、功耗或總線電壓超出預期工作范圍時通知主機處理器?？蓪⒅鳈C處理器解放出來管理其他任務，同時TPA626具有可編程警報寄存器，用戶可以對該警報監(jiān)視器進行配置，用以調整過流、過壓或過功率門限。

TPA626特點-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行自恢復處理。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，使得其可廣泛應用于通信設備、網(wǎng)絡設備、服務器、測試測量設備、工業(yè)PLC等各種產(chǎn)品的電流和功耗監(jiān)測，減輕系統(tǒng)處理器的負擔，幫助用戶及時精確掌握系統(tǒng)功耗，并據(jù)此進行調整和優(yōu)化，實現(xiàn)節(jié)能并降低運營成本。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期的工作模式，從而可以進行相應調整以提高可靠性或保護系統(tǒng)元件免受損壞。