引言：許多應用需要輸出負載電流監測，實際需求因系統而異，從簡單的參數數據記錄和報告到診斷、控制。有多種解決方案可用于監測負載電流，每種解決方案都有自己的優勢和挑戰，選擇正確的解決方案需要對系統需求進行評估，并在性能、成本、面積和復雜性等因素之間進行權衡。本節介紹集成電源開關中的輸出負載電流監測功能，而不是獨立的電流監測設備/解決方案。

1. 電流監控系統的應用場景

在整個系統或子系統中對電流監測的需求各不相同，下面是一些電流監控的應用需求示例：

統功率報告

監測電壓和電流等基本電氣參數的最常見原因是用于報告和數據記錄目的，例如在擁有數千臺服務器的數據中心中，監控單個服務器節點的功耗有助于統一分配工作負載，從而確保數據中心以最佳效率運行。

工廠自動化

系統電流監控也適用于工廠自動化，尤其是在使用M16和M18電纜來分配功率的遠程輸入/輸出（I/O）模塊中，為了不超過電纜額定電流，監測端口和系統的電流非常重要，否則可能會損壞系統。

動態/實時控制

一些系統使用負載電流測量來實現實時控制，在這樣的應用中，除了準確性之外，具有高帶寬和低延遲同樣重要。例如在服務器中，電源監視器可以檢查整個系統電流是否快速上升超過某個閾值，并向中央或圖形處理單元發送信號，以快速降低其性能，從而防止整個系統關閉，通常此信號需要非常快（延遲<10us）。

診斷

通過查看不同部分的電流消耗，并將該消耗與基于正常操作期間的預期值的閾值進行比較，可以識別系統中的故障，任何消耗明顯高或低電流的部分都可能指示故障。例如在工廠自動化中，布線是電源和信號路徑的必要條件，因為它分布在大型工廠環境中，數字輸出模塊通常將最大導線長度指定為100米。使用這種長度的導線，導線可能會意外斷裂，可以通過模擬電流監測器或開路負載檢測功能監測回路中的電流來檢測斷線。

類似地，汽車駕駛員輔助系統傳感器和天線通常通過長電纜連接，具有快速報警和診斷電線斷裂的能力對于確保安全操作至關重要。

預測性維護

一些系統（服務器、線卡和可編程邏輯控制器I/O模塊）監測電氣參數的配置文件，并尋找時間/頻率特征的變化，以預測即將發生的故障，這些信息有助于系統操作員在故障發生前安排維護。預測性維護有助于避免計劃外停機、生產力損失甚至安全隱患，在這些應用中，電流監測器需要具有良好的分辨率來捕捉電流的細微變化，以及足夠的帶寬來捕捉電流中的任何瞬態或瞬時變化。

2. 電流監測解決方案

根據所使用的感測元件（外部/內部）和輸出類型（模擬/數字），有不同類型的電流監測解決方案。

外部檢測元件

熱插拔控制器使用電源路徑中的外部Rsense來感測負載電流，Rsense兩端的電壓降由內部高側電流感測放大器放大，然后作為模擬電流輸出被驅動到外部模數轉換器ADC，或者被饋送到內部ADC，圖9-1顯示了使用外部感測元件的電流監測。

圖9-1：使用外部檢測元件的電流監測方框圖

需要根據熱插拔控制器數據表中指定的最大系統負載電流Imax和最大感測電壓Vsensemax來選擇Rsense值，公式1基于以上計算Rsense：

電流感測精度是Rsense容限和電流感測放大器增益/偏移誤差及其相關溫度系數的函數，通過使用精確的負載電流參考進行系統級校準，可以將誤差降至最低，但不可能消除溫度漂移。選擇溫度系數較低的感測電阻器，如薄膜或大塊金屬，其他誤差源主要源于電流感測路徑周圍的PCB布局不當，為了獲得最佳結果，使用開爾文感應連接。

基于外部電流感測電阻的解決方案的主要優點是，當在寬范圍內感測電流時能夠實現高線性和高精度。外部電流感測電阻器的缺點是增加了成本和板空間，以及感測電阻中的額外電壓降、功耗和自發熱。

內部檢測元件

eFuse和智能高端開關使用內部電流感應電路，不需要電源路徑中的外部組件進行電流感應。電流感測通常使用某種形式的電流鏡電路來實現，該電路驅動電流監測器輸出引腳上的一部分主FET電流。圖9-2顯示了eFuse的框圖，它使用集成電流感測電路在專用引腳（IMON）上提供模擬電流監測信號輸出。

圖9-2：eFuse電流監測內部方框圖

像一些特別的eFuse，在兩用引腳（ILIM）上提供模擬電流監測器輸出，該引腳主要用于設置可調電流限制，如圖9-3所示，電流限制電阻器（RILM）兩端的電壓降提供了輸出負載電流的測量值。

集成電流感測解決方案的精度由與內部電路相關的失配和其他誤差決定，內部電路在出廠時進行了微調，以在負載電流和工作溫度范圍內提供高精度。部分eFuse還采用了像放大器這樣的電路技術，以最大限度地減少偏移誤差和隨時間、溫度的漂移。工廠微調和其他電路技術的使用最大限度地減少了對最終系統中任何額外校準的需要，以實現高度準確的電流測量。與基于外部感測電阻器的解決方案相比，內部電流感測方案通過消除與感測電阻器相關的額外成本、尺寸、電壓降和加熱而提供顯著優勢。

圖9-3：采用放大器技術提高精度的eFuse內部方框圖

3.模擬輸出類型

輸出是與負載電流成比例的模擬電流信號，方程2和方程3表示輸出負載電流Iload和電流監測信號IMON之間的關系：

其中，GMON為電流監測增益，或者：

其中，KMON為電流感比值。

將電阻器（RMON）從電流輸出引腳（IMON）連接到GND將感測電流轉換為電壓，如等式4所示：

為了確保最大限度地利用測量的動態范圍，選擇RMON的應該使滿刻度負載電流下的VMON與ADC或其輸入的任何其他下游電路的滿刻度電壓輸入相匹配。通過使用更大的RMON可以提高低電流下的靈敏度/分辨率，因為它相對于噪聲增加了可用的信號電壓。但是較大的RMON也會增加較高電流下的電壓擺動，并且由于IMON引腳驅動器電路上的凈空限制，可能導致接近滿刻度的削波/飽和。

4. 高/低電流數字指示器

許多解決方案通過將負載電流與特定閾值進行比較來確認電流大小，并提供一個數字輸出標志引腳。像智能高側開關提供了一個漏極開路狀態輸出引腳，以標記系統已發生負載開路。開路或輕負載檢測需要考慮的一個重要方面是輸出電流的正常工作范圍，為了避免錯誤的故障報告，標稱工作范圍需要高于數據表中列出的最大空載檢測閾值。

此外，有的eFuse的集成模擬電流監測器輸出（IMON）可以與集成比較器（PG、PGTH）一起重新調整用途，以提供開路或輕負載檢測功能，如圖9-4所示。通過添加外部比較器，也可以使用具有模擬電流監測器輸出的其他設備實現開路或輕負載檢測。

圖9-4：使用IMON、PGTH和PG進行開路或輕負荷檢測/使用外部比較器進行開路或輕負載檢測

5. 數字遙測輸出類型

數字電流監測的另一種方法是遙測，這種電流監測的數字方法包括感測模擬電流，并通過集成ADC將其轉換為數字信號，然后將其存儲在內部數字寄存器中。然后使用諸如I2C或串行外圍接口總線之類的數字總線將數據報告回中央處理單元。圖9-5方框圖中突出顯示的部分展示了電流的感測和模數轉換。

圖9-5：LM5066I的內部方框圖

存儲的模擬電流信息的數據格式可以由PMBus等行業標準定義，也可以根據設備進行自定義。PMBus是一種普遍的規范，有助于通過I2C標準化遙測數據的讀取和寫入，PMBus還定義了用于存儲功率和電壓數據的數據格式。

6. 電流監控相關考慮點

以下是在為應用場景選擇電流監控解決方案時應考慮的一些關鍵考慮點：

動態范圍

動態范圍是指電流監測器電路能夠準確感知和報告的負載電流范圍，如圖9-6所示，在所支持的動態范圍之外的信號將具有顯著更高的測量誤差，或者可能根本沒有被感測到。動態范圍通常在上端受到電流監控放大器電路的凈空的限制，而在下端受到噪聲和偏移誤差的限制，通常在范圍的低端或高端的精度之間存在權衡。在電路中使用更高的增益或更大的感測電阻器通過增加相對于偏移和噪聲的信號來改善接近零標度的性能，但是會導致接近滿標度的輸出的削波和/或飽和。相反，使用較低的增益或較小的感測電阻器可以確保接近滿標度時更好的線性度和精度，但在接近零標度時會導致較差的測量精度。因為測量由偏移和噪聲主導，一些電流監測設備使用斬波穩定放大器、自動調零放大器和多點微調等技術，以最大限度地減少偏移誤差，并提高低端范圍的性能。

圖9-6：電流監控性能規范

直流精度

直流精度是電流監測器輸出與預期值的絕對誤差/偏差的度量，用%FS或%讀數表示。誤差是諸如增益誤差、偏移誤差和非線性的分量的組合，雖然增益誤差在較高電流下占主導地位，但偏移誤差在較低電流下占支配地位。對于具有外部電流檢測電阻器的設備，檢測電阻器的公差也會導致整體電流監測誤差，需要考慮誤差分量的溫度系數，以確定溫度測量的準確性。

分辨率/靈敏度

分辨率/靈敏度是監控電路能夠感應到的最小電流變化的度量，通常在分辨率和動態范圍之間進行權衡。對于模擬監控解決方案，更高的靈敏度意味著傳感電路的增益更高，對于數字輸出解決方案，更高的靈敏度還取決于ADC的分辨率。

帶寬

帶寬是監控電路能夠感應到的電流最快變化的度量，電路帶寬內的任何信號都將被準確地再現，而帶寬外的信號將被顯著衰減，從而導致錯誤的測量，帶寬還決定了電路檢測電流瞬時變化（如負載瞬態）的能力，如圖9-7所示。

圖9-7：電流監測性能不足帶來的系統影響

延遲

延遲是負載電流的任何變化與該變化反映在測量輸出中的時間之間的延遲的度量，延遲通常是數字電流監測解決方案中的一個參數，是模數轉換時間和通過數字電路的傳播延遲累加。

7. 結論

表9-8列出了一些具有當前監控能力的各種電源開關解決方案（僅作參考），除了提供電源路徑控制和保護外，熱插拔控制器、eFuse和智能高端開關等電源開關還可以通過執行電流監測來提供附加功能。雖然市場上有許多電源開關，但在某些情況下，可以根據其集成的電流監測功能縮小選擇范圍。

表9-8：具有電流監測功能的電源開關