可精确监控双负载电流的带校准输入的热插拔控制器

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本应用笔记介绍如何利用MAX5977热插拔控制器和单个ADC,对两个域的负载电流进行精密、独立的监测:高功率初级域和低功耗内务域。MAX5976集成MOSFET功率开关可用于为内务管理领域提供简单、高性价比的电源控制。尽管MAX5977结合了两个域的监视功能,但两个域的保护和控制仍然完全独立,从而提高了可靠性和安全性。

介绍

当存储、处理或网络接口卡设计为在高可用性(始终在线)系统中进行维修或更换时,必须使用热插拔或热插拔控制器。此热插拔电路控制卡在系统插入和拔出时打开和关闭卡的电源。它还可以在负载卡发生故障时保护系统免受过流的影响。更复杂的热插拔控制器现在包括允许监控负载电压和电流的功能,这些功能又可用于计算负载功率。此信息对于优化效率、冷却和有限电源输出的分配非常有用。

当负载卡变得更大、更复杂时,最好将卡的电源分成两个或多个域,其中一个域是功率要求较低的“内务管理”电源,另一个域为卡提供主电源。这种方法允许出于管理目的首先启动,最后关闭,而高功率域则单独控制。但是,如果需要功率监控或计量,将电源分成两个域通常需要使用两个单通道热插拔控制器(或至少一个双通道控制器)来测量两个域的功率。

本应用笔记介绍如何使用MAX5977热插拔控制器和单个ADC,对两个域的负载电流进行精密、独立的监测,同时MAX5976集成MOSFET电源开关为内务管理域提供简单、经济高效的电源控制。

MAX5977校准功能

Maxim的MAX5977执行热插拔控制器的常用功能,驱动高边n沟道MOSFET开关,以控制导通电压转换速率并防止过流情况。此外,MAX5977还包括一个增益为2500μA/V的精密检流跨导放大器,可用于馈送外部ADC用于负载电流监测。为了对电流检测系统进行精密校准,MAX5977可以将跨导放大器的输入切换为备用的“校准检测”输入。此功能由 CAL 输入控制。

当CAL逻辑低电平时,电流检测放大器检测IN和SENSE之间的电压,因此电流相当于(V在- 五意义) CSOUT 输出× 2500μA/V,用于正常工作期间的电流监控。但是,如果CAL被驱动为高电平,MAX5977将电流检测放大器的负输入切换至CALSENSE,使得CSOUT电流等于(V在- 五卡尔森斯) × 2500μA/V。如果在IN和CALSENSE之间施加精密电压,则此模式可用于收集放大器和ADC的增益和失调校准数据。MAX5977的典型应用如图1所示,其中使用精密吸电流和校准电阻建立CALSENSE信号。

罗姆   ROHM   放大器

图1.MAX5977的典型应用具有满量程电流检测校准信号

测量两个电源域中的电流

由于MAX5977的校准功能本质上是精密检流放大器的输入多路复用器,因此只要两个电阻都连接到公共IN电位,就可以重新用于测量交替检流电阻。基本应用电路如图2所示。主检流电阻器连接到 SENSE 输入端,而辅助(内务管理域)检流电阻器连接到 CALSENSE 输入端。然后可以独立测量两个域中每个域的负载电流。MAX5977为大功率域提供控制和保护,而简单的集成负载开关(如MAX5976)则控制和保护低功耗内务管理域。

罗姆   ROHM   放大器

图2.MAX5977应用电路,用于双域电流监测

微控制器收集和处理由ADC数字化的负载电流数据,ADC可以是外部的,也可以集成到微控制器本身中。为了测量主电流,微控制器将CAL驱动为低电平,短暂等待CSOUT建立,然后命令ADC转换并传输结果。同样,为了测量辅助电流,微控制器重复相同的基本序列,CAL驱动高电平。

由于两个域的跨导输出信号将共享同一个CSOUT增益设置电阻,因此应选择辅助和主检流电阻的值,以简化缩放或提供最佳分辨率。

为了简化主电流和辅助电流的缩放和求和,检测电阻应为相同的值。这允许将两个电流测量值直接相加,以确定两个域的总电流。

为了获得最佳分辨率,两个电流检测信号应具有相同的满量程输出电压,以便为ADC供电。这可以通过选择主检测电阻和辅助检测电阻的值来实现,其比率与两个域的最大负载电流相同:

我主要(最大)/我辅助(最大)= R卡尔森斯/R意义

这可确保在满载条件下,两个域的CSOUT满量程电压相同。例如,图1电路的主路径为1mΩ,辅助路径为20mΩ,表明满载主电流将是满载辅助电流的20倍。

为了提供易于求和并实现良好分辨率的折衷方案,请选择辅助检测电阻作为主检测电阻的二进制倍数。该倍数应近似于上述最大负载电流比。通过这种安排,微控制器中的简单二进制左移操作将主电流转换结果缩放到与辅助电流结果相同的“单位”。

定时和采样

图3所示为MAX5977驱动40.0kΩ CSOUT电阻,CAL开关频率为20kHz。在此示例中,V在- 五意义= 5mV 和 V在- 五卡尔森斯= 25mV。当 CAL 为低时,V抠枝末在 2500μA/V × 40.0kΩ = 500mV ×时为 5mV,当 CAL 为高电平时,V抠枝末= 25mV × 2500μA/V × 40.0kΩ = 2500mV。这些电平分别对应于2.5V ADC满量程输入的20%和100%。原始CSOUT信号在CAL上升沿或下降沿的10μs内建立良好。当增加MAX4236精密放大器来调节和缓冲高阻抗CSOUT信号时,其0.3V/μs的典型输出压摆率足够快,可以提供大致相同的建立时间。

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图 3a. 原始 V抠枝末稳定时间。

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图 3b.利用MAX4236缓冲器建立时间

一种可能的应用是使用MAX1393真差分、12位SAR ADC对缓冲的CSOUT信号进行数字化处理。对于这种SPI™驱动的ADC,一次转换需要16个串行总线时钟周期。在2MHz串行数据速率下,转换可在8μs内完成。事实上,由于该ADC采用采样保持输入电路,因此在切换CAL输入且CSOUT建立到新值时,可能会发生实际转换。

图4显示了缓冲CSOUT信号和串行数据时钟时序的示例,用于以10ksps的速度对每个信号进行采样。

罗姆   ROHM   放大器

图4.MAX1393 ADC采样负载电流,用于两个电源域,每个电源域采样10ksps

优势

使用MAX5977校准功能测量两条不同的电流路径具有多种优势。

校准功能本身无需外部多路复用器来处理检测电阻的高共模电压,从而减小了尺寸和复杂性。只需一个ADC,大大降低了解决方案的成本。由于两种测量都使用相同的电流检测放大器和增益设置电阻,因此两个域的测量精度相同。如果需要对电流检测信号进行滤波,可以在缓冲放大器周围实现,并且只需要一组滤波器元件。

该解决方案还增加了灵活性,因为微控制器可以根据需要分配时间和资源来测量主电流和辅助电流。例如,两个域的测量可以一对一交替进行。或者,系统可以主要专注于测量和监控主路径,仅偶尔对辅助路径进行定期“抽查”。换句话说,系统的监控“带宽”可以根据运行状态在主路径和辅助路径之间进行不同的分配。

尽管MAX5977结合了两个域的监视功能,但两个域的保护和控制仍然完全独立,从而提高了可靠性和安全性。

结论

与专用电流检测放大器相比,MAX5977的校准功能是独一无二的,与MAX5977的热插拔和电子断路器功能结合使用时尤其值得注意。它不仅可以用于实现在线校准,还可以用于测量两个独立电源域的负载电流,从而简化高可靠性负载卡的设计和操作。

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