AN-1145: ADP1047/ADP1048的先进功率计量功能 (Rev. 0) PDF

AN-1145
应用笔记
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ADP1047/ADP1048的先进功率计量功能
作者:Kevin Huang
简介
电路设置和测量
能源成本不断提高,推动数据中心和其它相关的计算业务
图1显示了交流功率计量接口。输入电流的测量点与PFC电
寻找全方位的智能电源管理策略。此类策略的实现要求准
流环路控制所用的测量点相同。如果使用电流检测电阻,
确采集包括电源在内的所有各级的功耗数据。如今,数字
它将测量流经主桥整流器之后的RSENSE的回路电流。输入电
通信技术和智能电源简化了这项任务,但要实现精确的电
压通过一个辅助电桥整流器整流,经分压器(R1和R2)分压
能计量,仍然存在一些实际的挑战,因为电源(除少数例
后送入ADP1047/ADP1048。使用辅助电桥整流器的优点
外)不是测量设备。
是,即使在软启动条件下,它也能精确测量输入电压。
目前,某些高端系统实现了交流功率监测,主要是利用专
这种方法在PFC级内测量V和I,因此,测量不那么困难,
用的交流功率监控器和仪表。然而,大多数情况下只能监
而且不需要隔离。然而,输入电桥和EMI滤波器会引起误
测总机架功率。由于大多数此类系统需要一个功率因数校
差。在轻负载下,当EMI滤波器中的电流与负载电流相当
正(PFC)级,以便通过控制环路测量输入电流和电压,因
时,这种误差可能特别明显。通过利用适当的校准算法,
此考虑在PFC控制器中增加功率计量功能是合理的。
可以减小这些误差。两个一阶Σ-Δ模数转换器(ADC)用于
检测输入电压和输入电流。ADC的采样频率为1.6 MHz。
ADP1047/ADP1048是内置精密输入功率计量功能的数字
在每个半交流线路周期结束时,通过对瞬时值的平方求积
PFC控制器,可以精确测量输入输出电压、输入电流和功
分计算真有效值。
率等。该信息可以通过PMBus接口报告给电源的微控制
器。
VREC
VOUT
RELAY
BULK
CAPACITOR
EMI
FILTER
RSENSE
3.3V
R1
R3
R4
R2
1
AGND
VDD 24
2
VAC
RES 23
3
VFB
RTD 22
4
OVP
ADD 21
5
PGND
SDA 20
6
ILIM
SCL 19
7
NC
8
CS–
INRUSH 17
9
PMBus
SYNC 18
CS+
PGOOD 16
10
DGND
AC_OK 15
11
PSON
PWM2 14
12
VCORE
PWM 13
ADP1047
图1. 交流功率计量电路配置
Rev. 0 | Page 1 of 12
10510-001
AC
INPUT
AN-1145
目录
简介................................................................................................... 1
交流线路周期测量 ................................................................... 5
电路设置和测量............................................................................. 1
电压、电流和功率校准 .......................................................... 5
修订历史 .......................................................................................... 2
调整................................................................................................... 6
测量................................................................................................... 3
输入电压数字调整 ................................................................... 6
输入电压测量 ............................................................................ 3
CS ADC数字调整 ..................................................................... 6
输入电流测量 ............................................................................ 3
VFB ADC数字调整 .................................................................. 7
输入功率测量 ............................................................................ 4
功率计量数字调整 ................................................................... 7
输出电压测量 ............................................................................ 4
实验结果 .......................................................................................... 9
修订历史
2012年3月—修订版0:初始版
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AN-1145
测量
输入电压测量
输入电流测量
输入电压通过分压器(R1和R2)检测,分压后的电压送入
输入电流检测信号送入CS+和CS−引脚。ADP1047/ADP1048
VAC ADC。ADP1047可以根据VAC ADC读数和0xFE3B寄
根据CS ADC读数和输入电流检测比IIN_GSENSE(在寄存器
存器中的值(输入电压电阻分压器值),计算输入电压值。
0xFE3C中 设 置 ) , 计 算 输 入 电 流 值 。 输 入 电 流 检 测 比
输入电压以线性格式用一个双字节值报告。Y是一个11位
IIN_GSENSE = 1/RSENSE,同样以线性格式设置。
二进制补码整数,N是一个5位二进制补码整数。因此,实
IIN_GSENSE的指数为寄存器0xFE3C的位[15:11],尾数为
际值为X = Y × 2N。READ_VIN的指数必须在寄存器0xFE39
寄存器0xFE3C的位[9:0]。可供设置的指数值有9个,表3列
的位[5:3]中设置。该指数决定最大输入电压;指数设置有3
出了指数值及相应的最大电流检测比。
个选项,如表1所示。
表3. IIN_GSENSE指数选项和最大电流检测比
表1. VIN指数选项和最大输入电压
寄存器0xFE39位
[5:3]的二进制值
101
110
111
最大输入
电压(V)
256
512
1024
VIN指数(N)
−3
−2
−1
对于85 V rms到265 V rms的通用输入线路,指数应为−2。
分压比KVIN同样以线性格式设置:
KVIN = (R2 + R1)/R2
IIN_GSENSE
指数(N)
−10
−9
−8
−7
−6
−5
−4
−3
−2
寄存器0xFE3C位
[15:11]的二进制值
10110
10111
11000
11001
11010
11011
11100
11101
11110
最大电流
检测比
1
2
4
8
16
32
64
128
256
K VIN 的指数为寄存器0xFE3B的位[13:11],尾数为寄存器
例如,如果RSENSE为50 mΩ,则IIN_GSENSE为20。为了获得
0xFE3B的位[9:0]。可供设置的指数值有5个,如表2所示。
最 佳 分 辨 率 , 应 将 IIN_GSENSE指 数 设 置 为 −5。
IIN_GSENSE的尾数为210 × 20/32。
表2. KVIN指数选项和最大输入电压分压比
寄存器0xFE3B位
[13:11]的二进制值
100
101
110
111
000
KVIN
指数(N)
−4
−3
−2
−1
0
输入电流以线性格式通过PMBus命令报告。指数(寄存器
最大输入
电压分压比
64
128
256
512
1024
0xFE39的位[10:6])必须根据额定最大输入电流值设置。要
正确报告IIN,必须满足以下条件:
IIN_MAX < 211 × 2N
因此,
如果KVIN = 385,指数必须是−1或0。如果指数为-1,尾数
N > log2
应设置为210 × 385/512;如果指数为0,尾数应设置为385。
IIN_MAX
211
表4. IIN指数选项和最大输入电流
寄存器0xFE39位
[10:6]的二进制值
10110
10111
11000
11001
11010
11011
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IIN指数(N)
−10
−9
−8
−7
−6
−5
最大输入
电流(A)
2
4
8
16
32
64
AN-1145
VOUT_SCALE_MONITOR (K)同样以线性格式设置:
输入功率测量
输入功率以线性格式通过PMBus命令报告。可供设置的指
数值有8个,指数(寄存器0xFE39的位[2:0])必须根据额定最
大输入功率值设置。要正确报告PIN,必须满足以下条
件:
K的指数为寄存器0x2A的位[13:11],尾数为寄存器0x2A的
位[9:0]。可供设置的指数值有5个,如表6所示。
表6. VOUT_SCALE_MONITOR指数选项
PIN < 211 × 2N
因此,
PIN
211
例如,如果最大PIN为600 W,则指数N应大于−2。为了获
N > log2
得最佳分辨率,指数N应为−1。
表5. PIN指数选项和最大输入功率
寄存器0xFE39位
[2:0]的二进制值
101
110
111
000
001
010
011
100
K = (R3 + R4)/R4
PIN指数(N)
−3
−2
−1
0
+1
+2
+3
+4
寄存器0x2A位
[13:11]的二进制值
100
101
110
111
000
K指数
(N)
−4
−3
−2
−1
0
最大
VOUT_SCALE_MONITOR
64
128
256
512
1024
为获得最佳性能,VFB ADC电压建议设为1 V。因此,如果
最大输入
功率
256
512
1024
2048
4096
8192
16384
32768
标称输出电压为385 V,指数应为−1以获得最佳分辨率。
输出电压同样以线性格式报告。READ_VOUT的指数必须
在寄存器0x20的位[2:0]中设置。该指数决定最大输出电
压;指数设置有4个选项,如表7所示。
表7. VOUT指数选项和最大输出电压
均值窗口可使用寄存器0xFE3A的位[2:0]在0全线路周期至
4096全线路周期范围内编程。在每个均值周期结束时,将
平均功率新值写入READ_PIN寄存器(寄存器0x97),并可通
过接口回读,直至在下一均值周期结束时被下一平均值覆
盖。
寄存器0x20位
[2:0]的二进制值
101
110
111
000
VOUT指数(N)
−3
−2
−1
0
最大输出
电压(V)
256
512
1024
2048
对于385 V或400 V左右的输出电压,指数应为−2。
输出电压测量
输出电压通过分压器(R3和R4)检测,分压后的电压送入
VFB ADC。ADP1047根据VFB ADC读数和0x2A寄存器中设
置的VOUT_SCALE_ MONITOR值(输出电压电阻分压器值),
计算输出电压值。
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AN-1145
交流线路周期测量
ADP1047中的三个Σ-Δ型ADC具有数字调整功能,如下
在每半个交流线路周期结束时,通过对各线路周期的瞬时
所示:
值求积分计算输入电压和电流均方根值。线路周期测量是
• VAC_ADC用于测量输入电压
正确确定交流输入电压和电流的均方根值,从而最终确定
交流功率有效值的关键步骤。
• CS_ADC用于测量输入电流
• VFB_ADC用于测量反馈电压
控制器利用自适应算法确定过零转换,并测量正负方向上
在ADP1047/ADP1048数据手册的“电源系统校准和调整”部
连续两次越过自适应阈值的时间间隔。过零点被认定为该
分,仅讨论了增益调整。本应用笔记讨论如何同时使用增
时间间隔的中点。测量到过零点后,过零点之间的时间间
益调整和失调调整。
隔就是交流线路的半周期。这种方法支持多种不同的线路
条件,能够可靠地给出线路周期。
这些数字调整功能使用10个寄存器,下面将讨论这些寄存
器的意义以及如何设置。
对于直流输入系统,ADP1047将MAX_AC_PERIOD_SET的
值用作计算所需的周期值。因此,ADP1047也能精确报告
这11个8位寄存器如下所示:
直流输入系统的输入电压、电流和功率。
• VAC ADC失调调整(寄存器0xFE53)
电压、电流和功率校准
• VAC ADC增益调整(寄存器0xFE40)
输入电压和电流可以分别校准,以便最大程度地降低传感
器造成的误差和ADC引入的误差。这种校准通过增益和失
调调整实现。精确校准电流和电压后,仍然可以对功率测
量进行进一步校准。这种失调和增益校准可以针对不同的
线路条件进行优化,以消除EMI滤波器和输入电桥整流器
引入的误差。
• CS ADC失调调整(寄存器0xFE54和寄存器0xFE7F)
• CS ADC增益调整(寄存器0xFE42和寄存器0xFE7E)
• VFB ADC增益调整(寄存器0xFE41)
• 低线路输入的功率计量失调调整寄存器(寄存器0xFE33)
• 低线路输入的功率计量增益调整寄存器(寄存器0xFE34)
• 高线路输入的功率计量失调调整寄存器(寄存器0xFE8E)
• 高线路输入的功率计量增益调整寄存器(寄存器0xFE8F)
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AN-1145
调整
输入电压数字调整
CS ADC数字调整
VAC ADC失调调整寄存器调整输入电压的失调误差,VAC
CS ADC失调调整寄存器调整PFC输入电流的失调误差,CS
ADC增益调整寄存器调整输入电压的增益误差。
ADC增益调整寄存器调整PFC输入电流的增益误差。由于
输入电压数字调整寄存器定义
CS ADC输入范围有500 mV和750 mV两个选项,因此调整
下面是VAC ADC失调调整和VAC ADC增益调整寄存器的
寄存器分别适用于各范围选择。
定义:
CS ADC数字调整寄存器定义
下面是CS ADC失调调整和CS ADC增益调整寄存器的定义:
• 失调误差 =
当VAC ADC失调调整寄存器的位[7:0] = 0x0,失调范围
为0;当VAC ADC失调调整寄存器的位[7:0] = 0xFF,失
调为满量程输入范围(1.6 V × KVIN)的12.5%。
• 当
,VAC ADC增益调整[7] = 1
• 当
,VAC ADC增益调整[7] = 0
• 失调误差 = (
CS ADC offset trim[7:0]
CS _ RANGE
)×
2 11
RSENSE
根据用户的选择,CS_RANGE为500 mV或750 mV。这
些寄存器的位[1]设置CS ADC输入范围。当CS ADC失调
调整寄存器的位[7:0] = 0x0,失调范围为0;当CS ADC失
调调整寄存器的位[7:0] = 0xFF,失调为满量程输入电流
范围(CS_RANGE/RSENSE)的12.5%。
• 增益误差 =
其中:
CS ADC gain trim[6:0]
2 11
VIN是已校准万用表提供的输入电压读数。
当CS ADC增益调整寄存器的位[7:0] = 0x0,增益误差为
VIN_R是ADP1047/ADP1048提供的输入电压读数。
0;当CS ADC增益调整寄存器的位[7:0] = 0xFF,增益误
• 增益误差 =
差为−6.2%;当CS ADC增益调整寄存器的位[7:0] = 0x7F,
VAC ADC gain trim[6:0]
2
增益误差为+6.2%。
11
当VAC ADC增益调整寄存器的位[7:0] = 0x0,增益误差
CS ADC数字调整步骤
为0;当VAC ADC增益调整寄存器的位[7:0] = 0xFF,增
CS ADC数字调整的步骤如下:
益误差为−6.2%;当VAC ADC增益调整寄存器的位[7:0]
1. 将CS ADC增益调整寄存器和CS ADC失调调整寄存器设
= 0x7F,增益误差为+6.2%。
置为0。使用已校准万用表测量输入电流。
2. 对PFC施加一个110 V交流输入电压,将负载设置为满负
输入电压数字调整步骤
载的一半,然后读取READ_IIN;此值为IIN_Y1。在此
输入电压数字调整的步骤如下:
1. 对PFC施加一个零输入电压,读取READ_VIN寄存器。
此外,调整VAC ADC失调调整寄存器值,直到READ_VIN
寄存器的尾数为0。
2. 将一块已校准万用表连接到PFC电路的输入端。对PFC
条件下,输入电流的万用表读数为IIN_X1。
3. 将负载设置为满负载,然后读取READ_IIN;此值为
IIN_Y2。 在 此 条 件 下 , 输 入 电 流 的 万 用 表 读 数 为
IIN_X2。输入电流失调误差为
电路施加一个110 V交流输入电压,并将负载设置为满负
载条件。调整VAC ADC增益调整寄存器,直到READ_VIN
寄存器等于万用表的输入电压读数。
VIN
VAC ADC失调调整[6:0] =
VIN _ R
11
×2
−1
CS ADC失调调整[7:0] = IIN _ OFF _ ERR × 211
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4. 将负载设置为满负载,然后读取READ_IIN;此值为
IIN_R。在此条件下,输入电流的万用表读数为IIN。
当
低线路输入功率计量失调调整寄存器设计用于校正低线路
输入条件下输入功率测量的失调误差。低线路输入功率计
,CS ADC增益调整[7] = 1
量增益调整寄存器设计用于校正低线路输入条件下输入功
,CS ADC增益调整[7] = 1
当
IIN
CS ADC增益调整[6:0] = IIN _ R
功率计量数字调整
率测量的增益误差。
高线路输入功率计量失调调整寄存器设计用于校正高线路
× 211 −1
输入条件下输入功率测量的失调误差。高线路输入功率计
注意,CS ADC的两个输入范围均可以使用上述调整步骤。
VFB ADC数字调整
VFB ADC增益调整寄存器调整输出电压的增益误差。未针
对输出电压的失调误差设计失调调整寄存器。实际输出电
压定义为VOUT,理想输出电压定义为VREF。
量增益调整寄存器设计用于校正高线路输入条件下输入功
率测量的增益误差。
这四个寄存器专为用户而设计,用以补偿EMI滤波器和桥
式整流器的功率损耗。
功率计量数字调整寄存器定义
下面说明低线路输入功率计量失调调整寄存器、低线路输
VFB ADC数字调整寄存器定义
入功率计量增益调整寄存器、高线路输入功率计量失调调
下面是VFB ADC增益调整寄存器的定义:
整寄存器、高线路输入功率计量增益调整寄存器的定义。
• 当
,VFB ADC增益调整[7] = 1
对于低线路输入,
• 当
,VFB ADC增益调整[7] = 0
• 失调误差 =
VFB ADC gain trim[6:0]
2 11
当VFB ADC增益调整寄存器的位[7:0] = 0x0,增益误差
• 增益误差 =
为0;当VFB ADC增益调整寄存器的位[7:0] = 0xFF,增
益误差为−6.2%;当VFB ADC增益调整寄存器的位[7:0]
= 0x7F,增益误差为6.2%。
当低线路输入功率计量失调调整寄存器的位[7:0] = 0x0,
失调范围为0;当低线路输入功率计量失调调整寄存器
的位[7:0] = 0x7F,失调为满功率的+6.2%;当低线路输
VFB ADC数字调整步骤
入功率计量失调调整寄存器的位[7:0] = 0xFF,失调为满
VFB ADC数字调整的步骤如下:
功率的−6.2%。
1. 开启PFC电路。使用校准过的万用表读取输出电压。
2. 调节VFB ADC增益调整寄存器(寄存器0xFE41),直至电
源输出READ_VOUT寄存器内的确切值(寄存器0x8B)。
VFB ADC增益调整[6:0] =
VREF
VOUT
× 211 −1
• PFULL (满功率) =
• 增益误差 =
当低线路输入功率计量增益调整寄存器的位[7:0] = 0x0,
增益误差为0;当低线路输入功率计量增益调整寄存器
的位[7:0] = 0xFF,增益误差为−6.2%;当低线路输入功
率计量增益调整寄存器的位[7:0] = 0x7F,增益误差为
+6.2%。
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4. 基于这些数据,失调误差和增益误差可以计算如下:
对于高线路输入,
• 失调误差 =
失调误差 =
增益误差 =
当高线路输入功率计量失调调整寄存器的位[7:0] = 0x0,
失调范围为0;当高线路输入功率计量失调调整寄存器
的位[7:0] = 0x7F,失调为满功率的+6.2%;当高线路输
入功率计量失调调整寄存器的位[7:0] = 0xFF,失调为满
功率的−6.2%。
5. 低线路输入功率计量失调调整寄存器:
当
低线路输入功率计量失调调整寄存器:
当
• 增益误差 =
Power Mete ring Gain Trim for High Line Input[6:0]
211
当高线路输入功率计量增益调整寄存器的位[7:0] = 0x0,
增益误差为0;当高线路输入功率计量增益调整寄存器
的位[7:0] = 0xFF,增益误差为−6.2%;当高线路输入功
率计量增益调整寄存器的位[7:0] = 0x7F,增益误差为
+6.2%。
,位[7] = 1。
低线路输入功率计量失调调整寄存器:
位[6:0] =
低线路输入功率计量增益调整寄存器:
当
,位[7] = 1。
低线路输入功率计量增益调整寄存器:
当
功率计量数字调整步骤
,位[7] = 0。
,位[7] = 0。
低线路输入功率计量增益调整寄存器:
功率计量数字调整的步骤如下:
1. 将低线路输入功率计量失调调整寄存器和低线路输入功
率计量增益调整寄存器设置为0。对PFC电路施加一个
110 V交流输入电压。
位[6:0] =
6. 将高线路输入功率计量增益调整寄存器和高线路输入功
率计量失调调整寄存器设置为0。对PFC电路施加一个
2. 将负载设置为满负载的20%,读取READ_PIN寄存器,
230 V交流输入电压。
并将读数记录为Pm1。将已校准功率计测得的输入功率
7. 重复步骤2至步骤4。
读数记录为P1。
8. 高线路输入功率计量失调调整寄存器:
3. 将负载设置为满负载,读取READ_PIN寄存器,并将读
数记录为Pm2。将已校准功率计测得的输入功率读数记
当
,位[7] = 0。
高线路输入功率计量失调调整寄存器:
录为P2。
当
MEASURED POWER
,位[7] = 1。
高线路输入功率计量失调调整寄存器:
位[6:0] =
PM2
高线路输入功率计量增益调整寄存器:
当
PM1
,位[7] = 1。
高线路输入功率计量增益调整寄存器:
P1
P2
图2. 实测功率与真实功率
REAL POWER
10510-002
当
,位[7] = 0。
高线路输入功率计量增益调整寄存器:
位[6:0] =
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实验结果
测量在利用ADP1047实现的300 W演示板上进行。演示板在
5
CCM模式下以100 kHz频率工作,输出电压调节到385 V。
较得出的实测功率误差,测试在25°C室温下进行。图4至
图7显示了非理想正弦交流线路电压的实验结果(25°C)。此
外,图4至图7还显示了真有效值功率测量的优点,即便是
非理想交流线路电压,也能保持高精度。注意,图6所示
交流输入源的整流输入电压与直流输入电压大致相似。
4
ERROR PERCENTAGE (%)
图3显示了理想输入源和宽输入范围下与商用功率计相比
3
2
1
5
3
2
0
20
40
60
80
100
PERCENTAGE OF FULL LOAD (%)
图5. 非理想交流输入源1下的实测功率误差
1
0
–1
–2
–3
50
100
150
200
250
300
OUTPUT POWER (W)
图3. 理想交流输入源下的实测功率误差
10510-006
图6. 非理想交流输入源2的波形
6
5
4
3
2
1
0
图4. 非理想交流输入源1的波形
–1
0
20
40
60
80
PERCENTAGE OF FULL LOAD (%)
图7. 非理想交流输入源2下的实测功率误差
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100
10510-007
0
ERROR PERCENTAGE (%)
–5
10510-003
–4
10510-004
ERROR PERCENTAGE (%)
–1
VIN = 90V
VIN = 120V
VIN = 150V
VIN = 180V
VIN = 210V
VIN = 240V
4
10510-005
0
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注释
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注释
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