高精度功率與能量監測芯片LTC2947：設計與應用指南

在電子設備的設計中，精確測量功率和能量是至關重要的，尤其是在服務器、電信基礎設施、工業設備、電動汽車和光伏等領域。LTC2947作為一款高精度的功率和能量監測芯片，為工程師們提供了強大而可靠的解決方案。下面我們就來詳細了解一下這款芯片。

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一、產品概述

LTC2947是一款具有內部感應電阻的高精度功率和能量監測器，支持高達±30A的電流和最高15V的電壓。它能夠測量電流、電壓、功率、電荷、能量和運行時間等七個參數，還能監測自身芯片溫度。通過三個無延遲ΔΣ模數轉換器（ADC），可同時精確測量電流、電壓和功率，并通過外部時鐘或板載振蕩器計算累積的電荷、能量和時間。這些測量值存儲在內部寄存器中，可通過可配置的I2C或SPI串行接口讀取。

二、產品特性

1. 高精度測量
   • 電流測量范圍為±30A，偏移低至9mA，內置300μΩ感應電阻，電流和電荷測量精度達1%，功率和能量測量精度為1.2%，電壓測量精度為0.5%。
   • 三個無延遲ΔΣ ADC確保了電壓和電流的精確測量，高帶寬模擬乘法實現了功率的精確測量。
2. 寬輸入范圍：輸入電壓范圍為0V至15V，且與電源電壓無關。
3. 閾值報警功能：可設置各測量參數的高低閾值，當閾值被超過時會發出警報，并存儲最大值和最小值。
4. 低功耗模式：關機模式下電流 (I_{0}<10 mu A)，有效降低功耗。
5. 接口兼容性：支持 (I^{2} C / SPI) 兼容接口，方便與其他設備通信。
6. 封裝形式：采用32引腳4mm × 6mm QFN封裝，節省空間。

三、工作模式

1. 上電模式：當所有電源電壓超過欠壓鎖定（UVLO）閾值時，LTC2947啟動，將所有寄存器設置為默認狀態，進入空閑模式，等待主機進一步指令。啟動并進入空閑模式約需100ms。
2. 空閑模式：所有內部電路處于活動狀態，但不進行測量。可通過操作控制寄存器進入單次測量、連續測量或關機模式。
3. 單次測量模式（SSHOT）：設置操作控制寄存器中的SSHOT位后，LTC2947進行四次測量（電流、電壓、功率和溫度），更新相應寄存器和最小/最大值及閾值寄存器，不進行時間測量，電荷和能量寄存器不更新。完成測量后清除SSHOT位，設置狀態寄存器中的UPDATE位，返回空閑模式。單次測量周期為100ms，主機可通過輪詢狀態寄存器中的UPDATE位檢測測量周期的完成情況。
4. 連續測量模式（CONT）：設置操作控制寄存器中的CONT位后，LTC2947重復測量電流、電壓、功率和溫度，重新計算能量、電荷和時間，并更新最小/最大值跟蹤和閾值寄存器。每個測量周期約100ms，電流和功率ADC在此模式下連續運行，確保不會遺漏電荷或能量。LTC2947將保持連續模式，直到用戶重置操作控制寄存器中的CONT位。若在連續模式下設置SSHOT位，LTC2947將完成當前測量周期后進入單次測量模式，并清除操作控制寄存器中的CONT位。
5. 關機模式（SHDN）：設置操作控制寄存器中的SHDN位后，LTC2947進入關機模式，電源電流降至約10μA。若設備處于測量周期中，無論是單次測量還是連續模式，都會完成當前周期后進入關機模式，并清除SSHOT或CONT位。關機模式會清除電壓、電流和溫度測量結果，但保留累積的電荷和能量值以及所有閾值和跟蹤值。在關機模式下，LTC2947繼續監測串行接口，在SPI模式下，當CS引腳拉低時從關機模式轉換到空閑模式；在 (I^{2} C) 模式下，確認正確的從地址后轉換到空閑模式。從關機模式喚醒約需100ms，在此期間，忽略寄存器寫入操作，對寄存器讀取返回0x01。主機可通過輪詢操作控制寄存器并觀察0x00響應來確定LTC2947已喚醒并進入空閑模式。

四、測量原理

1. 電流、電壓和溫度測量
   • 電流測量：通過內部感應電阻的電流由一個ΔΣ ADC測量，測量范圍為±30A，分辨率為3mA。共模電壓范圍從GND以下100mV到15.5V，與AVCC電源電壓無關。該ADC采用一階架構和連續偏移校準，確保所有輸入樣本以相等權重平均，不會遺漏任何樣本，采樣率為10MHz，每100ms報告一個新的平均值。
   • 電壓和溫度測量：由另一個ADC順序測量VP和VM引腳之間的差分電壓以及溫度。電壓測量分辨率為2mV，溫度測量分辨率為0.204°C，差分電壓測量范圍為 -0.3V至15.5V，與電源電壓無關。溫度測量值不僅報告給主機，還用于補償內部電流感應電阻的溫度漂移，從而實現穩定的電流測量。
2. 功率測量：LTC2947使用第三個ADC在5MHz的全采樣頻率下對電壓（VP - VM）和電流進行乘法運算，即使在100ms的轉換時間內電流和電壓發生同相變化，也能保持精度，適用于從具有顯著阻抗的電源（如電池）獲取功率的情況。
3. 電荷、能量測量和累積時間：LTC2947通過對電流和功率測量值進行時間積分來計算流向或流出負載的電荷和能量，并跟蹤用于積分的總累積時間。積分時間基準可以由內部時鐘、連接到CLKI的外部時鐘或連接到CLKI和CLKO的外部晶體提供。對于電荷、能量和時間，LTC2947提供兩組寄存器，每組寄存器可分別根據測量電流的符號、GPIO引腳的電平或控制寄存器的設置進行累積。還可以設置最小電流閾值，低于該閾值時停止積分。

五、接口與配置

1. 數字接口選擇：LTC2947的串行接口可在SPI或 (I^{2} C) 模式下工作。選擇SPI模式時，將AD0引腳連接到OVDD；選擇 (I^{2} C) 模式時，根據表3連接AD0和AD1引腳以配置不同的 (I^{2} C) 地址。
2. SPI模式
   • 物理層：LTC2947作為SPI從設備，AD1引腳作為CS（片選，低電平有效）。邏輯輸入閾值和輸出擺幅由OVDD引腳的電壓設置，建議從OVDD到DGND連接一個1μF的旁路電容。SDI引腳通常稱為MOSI，SDO引腳稱為MISO。LTC2947在SCL的上升沿采樣SDI數據，在SCL的下降沿改變SDO數據（ (CPHA =0) ， (CPOL =0) ）。
   • 數據層：所有發送到LTC2947的數據以8位字節形式傳輸，MSB優先。LTC2947以相同格式返回數據，可在一次事務中發送多個字節。
   • 寫協議：主機通過在事務中發送0x00作為第一個字節，然后發送要寫入的第一個寄存器的地址，后續字節將寫入該地址。LTC2947在接收到每個字節后遞增地址指針，可在一次事務中寫入多個字節，不完整的字節將被丟棄。
   • 讀協議：主機通過在事務中發送0x01作為第一個字節，然后發送要讀取的第一個寄存器的地址，LTC2947從該地址開始發送數據字節，發送每個字節后遞增地址指針。可以讀取任意數量的字節，若地址指針達到0xFF，將回滾到0x00。LTC2947忽略寄存器地址之后SDI線上的任何數據。
   • SPI警報處理：LTC2947可配置為在各種事件發生時通過ALERT引腳生成警報。啟用警報時，設置警報主控制使能寄存器（0xE8）[0]中的ALERTBEN位（默認設置），通過清除掩碼寄存器（地址0x88至0x8F）中的位來選擇觸發警報的事件。若警報啟用，相應事件會使ALERT引腳拉低。在SPI模式下，主機必須讀取狀態、閾值和溢出警報寄存器（0x80至0x87）以釋放ALERT引腳。
3. I2C模式
   • I2C設備尋址：若AD0在上電時未拉高，LTC2947工作在 (I^{2} C) 模式。通過連接AD1和AD0引腳可配置不同的 (I^{2} C) 地址。LTC2947在每次 (I^{2} C) 事務開始時檢查AD0和AD1引腳，并響應相應的 (I^{2} C) 地址。
   • 起始和停止條件：當 (I^{2} C) 總線空閑時，SCL和SDA均處于高電平狀態。主機通過在SCL保持高電平時將SDA從高電平轉換為低電平來發出傳輸開始的起始條件；當主機完成與從設備的通信后，通過在SCL保持高電平時將SDA從低電平轉換為高電平來發出停止條件，此時總線可進行另一次傳輸。
   • 總線卡住復位：LTC2947的 (I^{2} C) 接口包含一個總線卡住定時器，防止在傳輸過程中SCL信號中斷時總線線路被無限期拉低。定時器在SCL或SDI為低電平時啟動，在SCL和SDI均為高電平時復位。若SCL或SDI保持低電平超過50ms，總線卡住定時器將復位內部 (I^{2} C) 接口以釋放總線，正常通信將在下次起始命令時恢復。
   • 確認信號：確認信號用于主機和從設備之間的握手。LTC2947在接收數據時，每第九個時鐘周期將SDA線拉低以確認每個數據字節。若從設備未通過保持SDA高電平進行確認，主機應通過生成停止條件中止傳輸。同樣，當主機從從設備接收數據時，必須每第九個時鐘周期將SDA線拉低以生成確認脈沖。主機接收最后一個字節后，可保持SDA線高電平（不確認）并發出停止條件以終止傳輸。
   • 寫協議：主機以起始條件開始寫操作，隨后發送7位從設備地址，R/W位設置為0。若從設備地址與AD0/AD1引腳編程的地址匹配，LTC2947確認地址字節。主機然后發送一個寄存器地址字節，指示要寫入的內部寄存器。LTC2947再次確認并將寄存器地址鎖存到其內部寄存器地址指針中。主機隨后發送數據字節，LTC2947確認并將數據寫入所選的內部寄存器。寄存器地址指針在每個字節確認后自動遞增。當主機發送停止條件時，寫操作終止，寄存器地址指針復位到00h。
   • 讀協議：主機以起始條件開始讀操作，隨后發送7位從設備地址，R/W位設置為0。若從設備地址與AD0/AD1引腳編程的地址匹配，LTC2947確認，主機發送一個寄存器地址字節，指示要讀取的內部寄存器。LTC2947再次確認并將寄存器地址字節鎖存到其內部寄存器地址指針中。主機然后發送一個重復起始條件，隨后發送相同的7位地址，R/W位現在設置為1。LTC2947再次確認，然后發送請求寄存器的內容。若主機確認，LTC2947將遞增寄存器地址指針并發送下一個寄存器的內容。當主機發送停止條件時，讀操作終止，寄存器地址指針復位到00h。
   • SMBus警報響應協議：LTC2947在 (I^{2} C) 模式下使用SMBus警報響應協議（ARA）管理警報。啟用警報時，設置警報主控制使能寄存器（0xE8）[0]中的ALERTBEN位（默認設置），通過清除警報掩碼寄存器（地址0x88至0x8F）中的位來選擇觸發警報的事件。若同一總線上有兩個或多個設備在廣播ARA時產生警報，標準 (I^{2} C) 仲裁會使優先級最高（地址最低）的設備先響應，優先級最低（地址最高）的設備最后響應。總線主機會重復警報響應協議，直到ALERT線釋放。確定導致警報的設備后，主機可讀取狀態、閾值和溢出警報寄存器（0x80至0x87）以確定故障原因。在SPI模式下，讀取狀態或警報寄存器將釋放ALERT引腳；在 (I^{2} C) 模式下，使用SMBus ARA協議釋放ALERT引腳，讀取狀態或警報寄存器不會釋放ALERT。

六、寄存器配置

LTC2947通過內部寄存器進行配置和與主機系統通信，寄存器地址通過串行接口訪問。寄存器映射分為兩個256字節的頁面（PAGE0和PAGE1），共496個寄存器地址，但并非所有地址都被使用。

1. 分頁機制：PAGE0包含所有數量、控制和狀態寄存器，PAGE1包含所有閾值寄存器。每個頁面的寄存器地址空間從0x00到0xEF，每個寄存器由一個8位字節的數據組成。多字節數據以小端格式存儲，即最高有效字節存儲在最低地址。一些地址為保留地址，寫入未使用的保留寄存器或非保留寄存器中的保留位可能導致LTC2947出現意外行為，向非保留寄存器中的保留位寫入0是允許的。讀取未使用的寄存器通常無害，但會返回隨機數據。地址范圍0xF0至0xFF用于控制頁面訪問，這些寄存器（OPCTL (0xF0)和PGCTL (0XFF)）必須通過單字節事務寫入，不能作為多字節寫入的一部分。
2. 頁面控制：頁面控制寄存器（0xFF）用于選擇活動內存頁面，0表示選擇PAGE0，1表示選擇PAGE1。
3. 操作控制：操作控制寄存器OPCTL (0xF0)用于設置LTC2947的操作模式，清除其累積和跟蹤寄存器，并重置設備。有單次測量、連續測量和關機三種操作模式。
4. 寄存器詳細說明
   • 累積結果寄存器：包含兩組累積的電荷、能量和時間寄存器。時間寄存器為無符號整數值，電荷和能量寄存器為二進制補碼有符號整數值。每個累積量的值可通過將相應寄存器值乘以對應的LSB值來確定。若使用內部時鐘或4MHz晶體作為參考時鐘，使用表7中的LSB值；若使用外部參考時鐘，根據表8計算LSB值。PRE(0xE9)[2:0]和DIV(0xE9)[7:3]的值應根據時基控制部分進行設置。
   • 非累積結果寄存器：包含電流、功率、電壓、溫度和VDVCC的測量值，所有量均表示為二進制補碼有符號整數值。測量值通過乘以相應的LSB值進行縮放，溫度值通過將TEMP寄存器值乘以0.204°C并加上5.5°C來計算。
   • 跟蹤寄存器：跟蹤自上次復位以來所有轉換的最大值和最小值，值的縮放方式與非累積結果寄存器值相同，使用表10中的LSB值。
   • 控制寄存器：控制電荷、能量和時間的累積，配置GPIO引腳，并在使用外部時鐘時設置時基。
   • 狀態寄存器：報告寄存器更新、欠壓鎖定和參考時鐘錯誤的狀態。上電時，所有欠壓鎖定和上電復位位[3:0]設置為1。從關機模式退出后，UVLOA[0]和UVLOD[3]位設置，其他位清除，若關機前ALERT引腳置位的原因僅為UVLOAO[0]和UVLOD[3]位，則釋放ALERT引腳。這些位可通過讀取狀態寄存器清除，清除后，若AVCC/DVCC電源引腳發生欠壓事件，欠壓寄存器和PORA將再次設置。若在警報主控制使能寄存器(0xE8)和狀態掩碼寄存器(0x88)中啟用，事件也會觸發ALERT引腳。
   • 閾值和溢出警報寄存器：當相應閾值被超過或寄存器溢出時設置。累積量會不斷與保護值進行比較，以警告寄存器接近溢出，通常設置為每個寄存器最大值的90%。當任何量超過其保護閾值時，LTC2947在狀態寄存器中設置相應的溢出位，生成警報（若啟用），然后繼續累積。在最大電流和電壓輸入下，溢出警報發出后通常會在數小時后發生回滾，為主機提供采取行動以避免數據丟失的時間。32位量（時間）的溢出閾值為0xE6 66 66 65 LSB，48位量（電荷、能量）的溢出閾值為±73 33 33 33 33 32 LSB。累積量的閾值和溢出比較器內部使用浮點格式，可能會出現輕微的位級比較差異，但累積結果寄存器與其相應閾值寄存器之間的比較精度始終優于0.001%。警報條件必須存在至少200ms才能由警報寄存器（0x81至0x87）報告。當配置和使用閾值和溢出警報寄存器（0x81至0x87）時，狀態（0x80）和所有警報寄存器（0x81至0x87）必須在一次多字節事務中讀取。
   • 掩碼寄存器：用于控制哪些警報觸發ALERT引腳。若掩碼寄存器位重置為0，且警報主控制使能ALERTBCTL(0xE8)寄存器中的ALERTBEN位設置為1，則相應閾值的超過會使ALERT引腳拉低。當狀態掩碼寄存器STATUSM的位設置為0時，狀態寄存器（0x80）的相應位將生成警報。

七、應用電路與布局考慮

1. 典型應用電路：文檔中給出了12V、30A雙向功率、能量和電荷監測的典型應用電路，包括使用 (I^{2} C) 接口和SPI接口的電路，以及48V雙向功率、能量和電荷監測的隔離 (I^{2} C) 接口電路。這些電路展示了LTC2947在不同電源電壓和接口要求下的應用。
2. 布局考慮