用 100V DC 能量监视器测量能量

本文作者：

Christopher Gobok

凌力尔特公司  产品市场工程师

引言

在如今关注功耗的电子产品世界中，"能量监测"和"功率监测"常常可以互换使用，然而事实上，它们在含义、应用和优势方面略有不同。能量通常被定义为一段时间里的功率消耗量，其以"焦耳"(J) 或"千瓦时"(kWh) 为单位，而功率则是一个恒定的能量使用率，其以"瓦特"(W) 为单位。因此，额定功率通常用于表示设备在某个时刻将会消耗多少即时电力，而能量则是在事后确认在一个规定的时间周期内实际消耗了多少电力。所以，虽然能量监视器和功率监视器的"绿色"目标最终可能是相同的，但是在大多数应用中能量监视器或许更加有用，因为它考虑到功率级别随时间所产生的变化，从而更进了一步。

撇开 AC 负载不谈，能量监测正变得日益普及并已经在一些 DC 负载应用中确立了地位。手持式、机架式和在线能量计得到了广泛使用，设施管理人员等可以用这些能量计跟踪和分配设备或部门以及其他很多系统使用的能量。能量计的用途也可以包括负载分析，在这种应用中，对预期能耗规律和当前使用情况加以比较，并根据与能耗规律模型偏离的程度，对所关注区域做出标记。通过调整负载大小，用户可以决定，在某个时段，可以将多少照明灯、电脑、电池等连接到系统中。能量监视在可再生能源应用中的使用也随处可见，例如在风力涡轮发电机或太阳能电池板等应用中，监视产生了多少 DC 电量。类似地，电动自行车和电动汽车可以报告每公里能量使用情况，并量化从电池抽取或返回电池的能量。

尽管可以用一个微处理器加上少数其他组件组成一个分立式能量监视解决方案，但是这种方法为了执行数据计算和分析，需要连续轮询数据，因此导致系统开销增大。一款很适合的能量监视 IC 提供了一种简单的解决方案，减轻了这类繁重任务造成的大量负担，在这种解决方案中，包括电压、电流、功率和能量等所测参数合起来，可帮助即时洞察系统健康情况。可编程门限报警是提供早期故障检测，以能够在灾难性事件发生之前采取预防性行动所必需的。另外，仅仅通过了解使用规模，就可以优化系统。凭借这类信息，可以相应地将宝贵的资源用于别处，负担过重的设备可以将任务卸载到没有得到充分利用的设备上。

能量监视器作用模型

能量监视器可以通过很多不同的方式开发，想想对系统中能量使用情况进行监视所必需的各种组件就知道，这并不奇怪。为了测量电流，需要检测电阻器和放大器，最方便的情形是，该放大器的共模范围扩展到正的电源轨，并将其输出转换到地。测量电压需要精确的电阻分压器，而且如果要监视一个以上的电压，那么所需组件清单中还必须增加一个多路转换器。接下来是多通道模数转换器 (ADC)，具备精确基准以及与微处理器连接的一些方法，同时也许还要与相邻 IC 共享 I/O 连线。ADC 转换可能需要同步至微处理器时基，以便可以跟踪时间。微处理器还必须使电压和电流相乘以得到功率值，然后针对一段时间求出这些功率值之和，用这些和值计算能量。如果需要针对某参数检测最小值和最大值或报警信号，那么需要编写额外的代码并连续执行这些代码。因为找到适合的组件总体上既复杂又困难，所以能量监视常常适合采用集成式解决方案。

多种应用因空间、复杂性或成本因素而无法考虑分立式解决方案，凌力尔特公司的 LTC2946 通过在小型 4mm x 3mm QFN 或 MSOP 封装中集成所有必需的功能构件，使能量监视变得对这类应用非常实用了。LTC2946 以低至 2.7V 的电压工作，但是可以监视任何 0V 至 100V 轨的电压和电流以及它自己的电源电压和一个额外的电压输入。内置并联稳压器支持高于 100V 的电源。为了实现灵活性而使用外部检测电阻器，从而允许 LTC2946 准确地监视从毫安到数十安培或更大的电流。ADC 具 12 位分辨率，电压最大总体未调整误差 (TUE) 为 0.4%，电流最大总体未调整误差为 0.6%。另一个 ADC 输入 (ADIN 引脚) 的 TUE 也仅为 0.3%，可用来监视辅助功能。LTC2946 还集成了一个数字多路转换器，以计算 24 位功率值，还有累加器和振荡器，以计算 32 位能量和电荷值。所有值、测量结果、状态和用户配置数据都存储在可通过 I2C 访问的寄存器中。