Detección de corriente con gestores digitales de sistemas de energía PMBus-Parte 1

Este es el primer artículo de una serie de 2 partes. La primera parte presenta la familia de Gestores Digitales de Sistemas de Potencia (DPSM) y cubre los principales métodos de detección de corriente. LTpowerPlay^® también se presenta, y se describe la medición de la energía. La segunda parte cubre la detección de corriente en fuentes de alimentación de alto voltaje o negativas, la precisión, y destaca los aspectos digitales de la familia DSPM.

Introducción

Los diseñadores a nivel de placa son responsables de dar vida a una placa, controlar su estado, ajustar los parámetros, ejecutar diagnósticos, desconectarla para inspeccionarla, solucionar los problemas cuando las cosas no están del todo bien y apagar con elegancia una placa compleja sin incidentes. En el mundo del diseño y desarrollo de fuentes de alimentación, la gestión de la energía puede ser no sólo deseable, sino un requisito absoluto. El gestor del sistema de alimentación abarca varias funciones, como la secuenciación del encendido, la detección de fallos, la comprobación de márgenes, la coordinación del apagado, la medición de la tensión, la medición de la corriente y la recogida de datos para su análisis. La medición de la corriente de alimentación con los dispositivos LTC297x es el objetivo de este artículo.¹

En el caso de las fuentes de alimentación que alimentan componentes de gran valor, como FPGAs, CPUs y transceptores ópticos, puede ser importante medir la corriente extraída del raíl de alimentación. Para estos raíles de alimentación críticos, estos datos proporcionan al diseñador de la placa una visión de su rendimiento. Cuando se mide la corriente y el valor de la corriente está en formato digital, el dispositivo puede calcular la potencia y la energía, y el host del sistema puede realizar cálculos puntuales, buscar tendencias en los datos, programar tareas, etc.

Hay muchos documentos técnicos y notas de aplicación sobre el tema de la detección de corriente, pero ninguno ha tratado el tema específicamente para los DPSM. Este artículo abarca tanto los aspectos analógicos como los digitales y describe varios circuitos de apoyo para medir la corriente en los carriles de baja tensión, alta tensión y negativos.

La familia DPSM LTC297x

Este artículo se centra en los gestores de sistemas de energía que tienen incorporada la medición de corriente. La Tabla 1 describe las diferencias entre estos dispositivos.

El LTC2977/LTC2979/LTC2980/LTM2987 puede configurarse para monitorizar la corriente, pero hay algunas limitaciones. Sólo los canales impares admiten la medición de la corriente, y las mediciones se devuelven en unidades no escalonadas de voltios. Esto se trata con más detalle en la Parte 2.

Este artículo se centra en los dispositivos LTC2971/LTC2972/LTC2974/LTC2975 por su capacidad para medir la corriente de salida y permitir que el sistema/software lea los valores en unidades de amperios mediante el comando READ_IOUT.

Nota AN-105: La colección de circuitos "Making Sense of Current" cubre una gran variedad de circuitos y escenarios. Una parte de esta colección es aplicable a los gestores digitales de sistemas de energía ADI.

¹ A menos que se indique lo contrario, el término LTC297x en esta nota de aplicación se refiere a los LTC2971, LTC2972, LTC2974, LTC2975, LTC2977, LTC2979, LTC2980 y LTM2987. No incluye el LTC2970.

Los fundamentos de la PCH

Los gestores de sistemas de alimentación proporcionan una visión digital de las principales lecturas de tensión y corriente de una fuente de alimentación. Se trata de una potente característica de la familia de productos: un host del sistema o el LTpowerPlay pueden encargarse de la puesta en marcha inicial de la placa, la depuración, la validación o la recogida de datos básicos o de tendencias. Mientras que algunos canales de potencia no requieren lecturas precisas de la corriente, muchos canales de salida críticos requieren mediciones de corriente muy precisas.

En este artículo se discutirán varias opciones de detección actuales, incluyendo las compensaciones entre el coste, la complejidad y la precisión.

Opciones de detección actuales

Los controladores LTC2971/LTC2972/LTC2974/LTC2975 miden con precisión la corriente de salida. Utiliza estos dispositivos siempre que sea posible, ya que tienen pines de detección de corriente dedicados y comandos PMBus que proporcionan valores de telemetría en amperios.

Por ejemplo, puedes conectar la I_SENTIDO a una derivación, configura unos registros y el chip hace el resto. El chip convierte una tensión de detección medida en un valor de corriente. LTpowerPlay muestra la corriente en tiempo real como valores digitales y en un gráfico de telemetría.

También es posible utilizar un LTC2977/LTC2979/LTC2980/LTM2987 para medir la corriente de salida; sin embargo, el comando READ_IOUT devuelve una tensión que debe ser convertida a amperios por el host del sistema o el LTpowerPlay. En la práctica, esto significa que el firmware, y no el chip, debe almacenar el valor de la derivación en serie.

Una resistencia de derivación en serie no es la única forma de detectar la corriente. La tabla 2 resume las opciones de detección actuales disponibles para la familia DPSM y sus compensaciones. También hay que tener en cuenta la precisión, el coste, el espacio del tablero y otros factores.

Detección de la resistencia de derivación

El método más común de detección utiliza una resistencia de derivación, a veces llamada derivación de corriente. Tanto si el convertidor CC-CC es un regulador de conmutación como un regulador lineal, la resistencia de derivación se coloca en serie con la salida. El divisor de la resistencia de realimentación está conectado al nodo de salida para que la derivación esté dentro del bucle de realimentación, lo que permite al regulador compensar la caída de RI de la resistencia de derivación cuando se aplica la corriente de carga, lo que mejora enormemente la regulación de la carga.

El comando del PMBus utilizado para convertir la tensión en corriente se llama IOUT_CAL_GAIN. Es la resistencia nominal de la resistencia shunt. El chip mide la pequeña caída de tensión a través de la resistencia de derivación mediante el comando I_SENTIDO realiza la conversión internamente y devuelve la corriente de salida con el comando READ_IOUT. La tensión real que detecta el chip está disponible mediante el comando MFR_IOUT_SENSE_VOLTAGE. El chip calcula la corriente de salida con esta ecuación:

Cuando utilices una derivación resistiva, ajusta el valor de MFR_IOUT_CAL_GAIN_TC a las especificaciones del fabricante para compensar los cambios de temperatura. En general, las derivaciones de más de 10 mΩ tienen coeficientes de temperatura más bajos: <100 ppm/°C.

La máxima tensión de detección diferencial desarrollada a través de la I_SENTIDO aparece en las especificaciones de la hoja de datos. La mayoría de los dispositivos LTC297x están limitados a una tensión diferencial de ±170 mV. Esto proporciona un alcance más que adecuado para la mayoría de las aplicaciones. La tensión de detección máxima se calcula como sigue: V_SENTIDO = R_SNS × I_OUT(MAX). En general, se determina primero la tensión máxima de detección y la R_SNS dirección del flujo la resistencia de detección de corriente se calcula como sigue: R_SNS = V_SENTIDO / I_OUT(MAX). La tensión máxima de detección es elegida para que sea una señal suficientemente grande, sin crear un problema de disipación de potencia o de caída de RI en la ruta de salida. de 50 mV a 80 mV es una buena tensión de detección máxima. Elige el tamaño físico de una resistencia de detección de corriente para que proporcione una disipación de potencia mayor que la disipación de potencia calculada en la resistencia de detección: P_D = R_SNS × (I_OUT(MAX))².

Un método relacionado añade un amplificador de detección de corriente con referencia a tierra (CSA) para proporcionar una salida desequilibrada que se introduce en las clavijas de detección de corriente del conductor. Este enfoque se suele utilizar para la transferencia de nivel de un carril que está por encima del límite de 6V de la mayoría de los controladores LTC297x. El ASC debe tener un buen rendimiento en modo común del lado alto. Es típico alimentar un dispositivo de este tipo desde el carril detectado y la GND. Los detalles de este método se tratan en la Parte 2 de este artículo.

ADI ofrece muchos μModule non-PSM fáciles de usar^® dispositivos que ocupan poco espacio. Un gestor de PSM es un buen dispositivo de acompañamiento para controlar las secuencias y supervisarlas. La mayoría de los dispositivos μModule tienen inductores internos. Sin embargo, algunos también incorporan la resistencia de realimentación superior, lo que hace imposible añadir una resistencia de derivación externa dentro del bucle de realimentación. Se debe elegir un dispositivo µModule que permita el uso de una resistencia de retroalimentación externa en la parte superior para conseguir la mayor precisión de tensión.

Detección de la DCR del inductor

La detección de la DCR es el método para detectar la corriente en el inductor de salida de un regulador buck. Un inductor se puede modelar como un inductor ideal y una resistencia en serie llamada DCR (véase la figura 6). Este es generalmente el método preferido para los carriles de alta corriente (>20 A). Añadir una derivación resistiva es un componente adicional, que disipa energía y genera calor.

Es necesario acceder a los dos extremos del inductor para detectar a través de él, y hay que insertar una red de filtrado entre los puntos de detección y los pines de detección del LTC297x. La red de filtrado es un filtro paso bajo RC diferencial de 2 etapas. Por comodidad y ahorro de espacio, se puede utilizar una red de resistencias de 4 elementos. Los valores de las resistencias deben elegirse de forma que la caída de IR sea lo suficientemente baja como para evitar errores debidos a la corriente de entrada del LTC297x, pero lo suficientemente grande como para mantener los valores de los condensadores por debajo de 1 μF.

Las hojas de datos del LTC2971/LTC2972/LTC2974/LTC2975 proporcionan orientación para seleccionar los valores de RC.

Ejemplo:

Supongamos que L = 2,2 µH, DCR = 10 mΩ, f_SW = 500 kHz

Sea Rcm1 = Rcm2 = 1 kΩ

La detección de la DCR proporciona una medición de la corriente sin pérdidas; sin embargo, la precisión se ve afectada por la variabilidad de la resistencia del bobinado del inductor o DCR. No es raro ver especificaciones de DCR del inductor de hasta ±10% o sólo un valor máximo. El valor real de la DCR varía de un inductor a otro y de un lote a otro.

Otro esquema de filtrado utiliza sólo dos resistencias y dos condensadores. Esto reduce el número de componentes de ocho a cuatro; sin embargo, el rendimiento del filtro no es tan bueno como el de la figura 7.

Configuración del PMBus

Para configurar el LTC297x mediante los comandos del PMBus, el valor nominal de la resistencia de derivación del inductor o DCR se establece mediante el comando IOUT_CAL_GAIN. En el caso de los inductores bobinados con hilo de cobre, la DCR aumenta al aumentar la temperatura del inductor. Esto introducirá errores en la lectura de READ_IOUT. Esto se puede compensar ajustando el coeficiente de temperatura del cobre con el comando MFR_IOUT_CAL_GAIN_TC. El valor por defecto de la hoja de datos es de 3900 ppm/°C. Es posible que tengas que ajustar el valor para adaptarlo a tu inductor, ya que este parámetro puede variar considerablemente cuando el cable es una aleación y no cobre puro. MFR_IOUT_CAL_GAIN_THETA es la constante térmica de tiempo que se puede ajustar. Las hojas de datos del LTC297x las cubren con más detalle.

Es importante colocar un sensor de temperatura (transistor bipolar conectado a un diodo) cerca del inductor para conseguir una compensación de temperatura de la corriente más precisa. Los dispositivos LTC2971/LTC2972/LTC2974/LTC2975 tienen una T_SENTIDO los pines que se conectan al sensor.

IMON

Las clavijas IMON están ganando popularidad en muchos reguladores, tanto de conmutación como lineales. Estos reguladores tienen una clavija de salida de detección de corriente que proporciona un medio para controlar la corriente de carga del regulador. Las ventajas del método IMON son que no tiene pérdidas y que no hay que preocuparse por la tensión de modo común, ya que el LTC297x I_SENTIDO no se conectan a V_OUT. La patilla IMON es una señal de salida no equilibrada que representa una fracción de la corriente de salida. Puede ser una salida de tensión o de corriente, que requiere una resistencia conectada a GND. Los pines IMON de salida de corriente permiten al usuario seleccionar un valor de resistencia, y así establecer la tensión máxima a plena carga.

Una tensión desequilibrada puede ser una señal mucho mayor que la tensión desarrollada a través de un inductor de corriente o DCR. Los dispositivos LTC2972 y LTC2971 tienen incluso un bit de configuración para permitir niveles de señal mayores. Esta es la parte de imon_sense. El bit se encuentra en el comando MFR_CONFIG y es un comando paginado.

El valor de la resistencia IMON debe elegirse para permitir un amplio rango dinámico en todas las condiciones de carga. En general, la precisión de IMON es buena en condiciones de corriente de carga media y alta, pero pierde precisión en condiciones de carga ligera. Consulta las especificaciones de la hoja de datos del regulador para obtener más detalles.

Algunos controladores combinan una función de limitación de corriente con el pin IMON. El pin puede llamarse IMON/ILIM. Ten cuidado de no elegir un valor de resistencia IMON tal que la tensión IMON active el circuito limitador de corriente a plena carga. Algunos ejemplos son los reguladores lineales, como el LT3072 y el LT3086. En otros casos, como el LT3094 y el LT3045, hay un pin ILIM que funciona como límite de corriente y puede utilizarse como monitor de corriente de salida. En el caso de algunos reguladores de conmutación, la clavija puede llamarse IMON y la función de limitación de corriente incorporada puede no ser evidente. Algunos ejemplos son el LT8652S y el LT8708. El circuito de limitación de corriente tiene un retroceso y no corta la salida. Para desactivar la salida, el LTC298x detectará una condición de sobrecorriente y tirará de VOUT_EN hacia abajo, desactivando así la salida del regulador.

Detección de la corriente de entrada

Un sistema de alimentación puede tener una única fuente de entrada que alimenta a varios reguladores posteriores. La corriente de alimentación de entrada se puede medir con un LTC2971, LTC2972 o LTC2975. Es fácil medir IIN con el LTC2971/LTC2972/LTC2975, ya que estos dispositivos tienen la capacidad nativa de conectar los pines a una resistencia de detección R_SNS en la trayectoria actual de V_EN. El cableado directo de los pines IIN_SNS está limitado a V_EN que son <15 V para el LTC2972/LTC2975, y <60 V para el LTC2971.

Tanto si se mide la corriente de salida como la corriente de alimentación de entrada, hay un registro PMBus programable por el usuario que traduce la tensión de detección en una corriente. En el caso de la corriente de alimentación de entrada, se utiliza el registro PMBus MFR_IIN_CAL_GAIN. La corriente de alimentación de entrada puede leerse entonces en el registro READ_IIN.

Podemos medir no sólo la corriente, sino también la tensión. Los comandos del PMBus son READ_IIN y READ_VIN. Con la corriente, la tensión y una base de tiempo, el LTC2971/LTC2972/LTC2975 también puede calcular la potencia y la energía suministrada al sistema. El acumulador de energía se describe en la siguiente sección.

El LTC2971 es capaz de detectar la corriente de alimentación de entrada en un carril de 60V. Los pines IIN_SNS pueden conectarse directamente a una resistencia de detección en la entrada de la fuente de alimentación. Para tensiones de alimentación superiores a 24V, recomendamos utilizar un regulador buck para alimentar el LTC2971 a través del pin VPWR. Esto ahorra energía y evita que el LTC2971 se autocaliente. La potencia se disipa debido a V_PWR × I_PWR y puede hacer que la temperatura del chip aumente más de lo deseado. El ADP2360 tiene una opción de 5 V fijos que proporciona una solución de bajo coste y pequeña huella para el regulador buck.

Contadores de energía

Puede ser importante controlar el uso de la energía. Tanto si la fuente de alimentación de entrada es un regulador de conmutación, la salida de un panel solar o una fuente de batería, puede ser útil conocer la energía total consumida por el sistema. Los LTC2971/LTC2972/LTC2975 son capaces de detectar la corriente de lado alto de la alimentación de entrada. Esta función permite al gestor medir la corriente de alimentación de entrada. LTpowerPlay es muy útil para explorar las funciones relacionadas con la lectura de la corriente y la energía de entrada. Una vez seleccionado el comando LEER_EIN, la ventana de telemetría muestra un gráfico en tiempo real de la energía acumulada.

El contador de energía también mide la tensión de alimentación de entrada y, por tanto, puede informar también de la potencia de entrada. Como la energía es el producto de la potencia y el tiempo, la energía acumulada se proporciona en la base de tiempo interna del gestor. El medidor que aparece en la esquina superior derecha de la interfaz gráfica de usuario proporciona más información. La aguja es un indicador en tiempo real de la potencia de entrada en vatios, y los cinco diales más pequeños muestran la energía total acumulada, como un contador de electricidad doméstico. También hay pantallas digitales para mayor comodidad.

LTpowerPlay proporciona una interfaz sencilla y fácil de entender que agrega las lecturas de corriente, tensión, potencia y energía en una sola entrada y salida.

La corriente de entrada, la tensión de entrada, la potencia de entrada y la energía de entrada pueden verse en forma de tabla. Aparecen en la sección de telemetría de la GUI. El registro MFR_EIN contiene el valor de energía acumulada en milijulios. También hay un tiempo total que el acumulador de energía ha estado activo y que se muestra en el registro MFR_EIN_TIME. La interfaz gráfica de usuario actualizará automáticamente el prefijo SI mostrado cuando las unidades cambien de mJ a J y kJ.

La tabla 3 es un resumen de toda la telemetría que se puede leer del LTC297x. Los registros son I²Lee palabras del C/PMBus, excepto el registro MFR_EIN, que es una lectura en bloque.

1. Si el bit adc_hires está activado, el valor de READ_VOUT se devuelve en mV. Formato L11.

2. Bloque leído que incluye el valor de la energía en mJ y el tiempo transcurrido en ms.