一款便利的电路板级能量监视器

>>>> 引 言

如果告诉别人，你在家里屋顶上安装了一个太阳能电池板系统，那么你可能会遇到一大堆问题，包括 "你安装了多少电池板?" 或者 "你的系统多大?" 大多数人会以一种有时转弯抹角的方式试图估测你的系统额定功率。接着，他们或许继续询问你的电池板效率有多高，你的系统是否仍然连接至电网，或者整个系统花了你多少钱，所有这些都是完全有效的问题。然而，如果你像我一样，喜欢首先说明 "主要部分" (并尽量减少别人的提问)，那么就要尝试以说明自己的耗电量和发电量作为交谈的开始，因为与功率不同，从耗电和发电的角度来看，能量是终局，而且是任何系统真正的性能度量指标。

在很多应用而不仅是太阳能系统中，监视能量都有很多类似的好处。市面上广泛提供手持式、机架式和直插式能量计，很多人都可以使用，例如设施管理员可以用来跟踪和分配设备或部门等使用的能量。能量计的使用也许还包括负载记录与分析，这时比较预期能耗与当前能量使用情况，并根据其与已建立能量模型之间的偏差，标记需要关注的区域。通过调节负载，人们可以决定，任何时刻可以连接到系统多少设备，例如电灯、电脑、电池等。电动自行车和电动汽车可以报告它们的每英里能量使用情况，量化从电池抽取或返回电池的能量。

尽管能量监视应用丰富多彩，但是市场上却极少有能量监视 IC。很多系统设计师用功率监视 IC 应付，例如凌力尔特公司的 100V LTC2945 功率监视器，并用一个微处理器跟踪功率和时间信息，同时计算能量。尽管不需要复杂的编码，但是这种解决方案的主要缺点是牵制了计算资源。凌力尔特的 100V LTC2946 能量监视器是一款更加简练的解决方案，提供直接能量测量，用户能够灵活地选择自己的检测电阻器，但是当需要测量大电流时，挑战就出现了。接下来就是凌力尔特早该推出的 LTC2947 能量监视器了，该器件集成了 30A 检测电阻器，对如今要求最苛刻的应用而言，该器件能提供极其切合实际的能量监视。

>>>> 再论检测电阻器

使用以检测电阻器作为电流检测组件的功率或能量监视 IC 进行设计时，计算所需检测电阻器通常是个非常容易的任务。只需应用欧姆定律，获取数据转换器的满标度电压，然后除以负载电流即可。然后，去喜欢的电子组件分销商的网站上查一下，看看有哪些真实的电阻器值可用。直到开始测量两位数的电流为止，事情都足够简单。

以 LTC2946 宽范围 I²C 功率、电荷和能量监视器为例，该器件的满标度电压约为 100mV。如果 LTC2946 用来测量一个 30A 轨，那么需要 3.3m? 检测电阻器，这种阻值的电阻器轻而易举就可得到，但是这个电阻器会消耗 2.9W 功率！这个世界上即使有人但也极少愿意为了简单的能量测量而消耗这么大的功率。此外，因为功率消耗很大，封装绝对有可能是不 "标准" 的，因此相当昂贵。例如，Digi-Key 销售的 Vishay CSM3637P 3.3m? ±1% 5W 检测电阻器，如图 1a 所示，千片批购价为每片 6.90 美元！其 6mm x 3mm x 0.6mm 大型金属铝箔封装实际上使该电阻器成了一个难以安装的 5W 散热器。

如果用 LTC2946 测量较小的电流，例如 6A 轨，那么需要 16m? 检测电阻器，功耗则是更可接受的 0.57W。Digi-Key 销售松下 ERJ8CW 16m? ±1% 1W 检测电阻器，如图 1b 所示，千片批购价为每片 0.09 美元，也可以接受。这款电阻器采用纤巧的 3.2mm x 1.6mm x 0.65mm 1206 封装，不难安装，也不会占用很大的电路板空间。其实，这构成了一个准确度为 2.4% 的能量监视解决方案，在 -40°C 至 85°C 工作温度范围内运行，对某些应用而言，这也许太不准确了。这个 2.4% 还不包括 LTC2946 和检测电阻器之间的外部连接 (即引线和走线) 产生的热电偶效应导致的任何不准确性。

图 1a：LTC2946 用 3.3m? 检测电阻器测量 30A 轨的能量

图 1b：LTC2946 用16m? 检测电阻器测量 6A 轨的能量

无论你想测量 30A 轨还是 6A 轨，一种更简单的方式以替代 LTC2946 的器件就是 LTC2947 能量监视器，如图 2 所示，该器件集成了一个 300µ? 检测电阻器，消除了使用外部检测电阻器测量大电流的诸多难题，包括功耗、准确度、温度漂移和尺寸问题。当测量 30A 满标度电流时，LTC2947 集成的检测电阻器上之压降仅为 10mV，从而导致仅约 1/4 W 的功耗，或者测量 6A 轨时功耗为 10mW。除了低功耗，由于其仅为 -9mA (2.7µV) 的低失调，LTC2947