AN-1145 应用笔记 One Technology Way • P.O. Box 9106 • Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. • Tel: 781.329.4700 • Fax: 781.461.3113 • www.analog.com 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 Rev. 0 | Page 2 of 12 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 Rev. 0 | Page 3 of 12 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。 Rev. 0 | Page 4 of 12 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) Rev. 0 | Page 5 of 12 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 Rev. 0 | Page 6 of 12 AN-1145 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%。 Rev. 0 | Page 7 of 12 AN-1145 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] = Rev. 0 | Page 8 of 12 AN-1145 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 Rev. 0 | Page 9 of 12 100 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 AN-1145 注释 Rev. 0 | Page 10 of 12 AN-1145 注释 Rev. 0 | Page 11 of 12 AN-1145 注释 ©2012 Analog Devices, Inc. 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