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助力绿色5G,数字式电流和功率监测芯片--TPA626

日期: 2020-06-16
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5G时代的来临,不仅仅意味着更高的带宽、海量的数据和万物互联的便利,还带来了与之配套的基站、网络设备和数据中心产生的巨大能耗。


1. 按照运营商官方的统计,5G基站最大功耗约为4G的3-4倍。传统通信网络的能耗成本(也就是电费),占运营商网络维护成本的比例大约是20%左右。5G的功耗控制,对于运营商和设备商来说,是一个非常紧迫的问题。 

2. 另外,未来五年数据中心规模及其能耗呈现不断增长的趋势。全国数据中心的总能耗已超过上海市的全社会用电量,并且在快速增长。而数据中心整体的电费在运营过程中占到很大比重,超过70%。


为了改善功耗,各运营商、通信设备厂商、服务器厂商,积极采用动态休眠等技术智能化调节能耗,同时建立用电模型,加强对电费的计量、监测、监控和用电优化。在5G的热潮中,“绿色”发展应是最优先考虑因素。所以精确监测系统电流和功耗变得越来越重要。

对几十伏电压和百安培以内的系统电流和功率信息进行评估和分析,通常首选分流电阻进行测量电流,这种方法物理尺寸小、精度高并且温度特性好。

用于测量并转换在分流电阻上产生的信号的方法有多种。最常见的方法是采用模拟前端将电流感测电阻的差分信号转换为单端信号。然后,将单端信号连接到与微控制器相连的模数转换器 (ADC)。

助力绿色5G,数字式电流和功率监测芯片--TPA626

图1显示了电流感测信号链。为了得到功耗信息,还需要对系统电压使用ADC采样,然后在处理器中对结果做乘法以获得功耗。

但是,分立的方案面临几个问题:

1.获取电流和电压信息经过不同的器件和路径,它们之间的延迟差异会在功耗测量中引起时间对准误差,因为电流和电压都可以彼此独立地变化。

2.为了尽可能减小电压和电流测量之间的延迟,处理器通常需要为ADC通信和功耗计算 提供足够的处理能力。这将加重处理器执行额外功能的负担,或者降低电压/电流测量的精度。

3.分立方案需要单独选择高边/低边电流采样运放、ADC、参考电压、分压电阻等,增加系统设计的复杂性和难度。


为了更好的监控系统功耗,3PEAK开发了一款专门面向电流感测和功耗监控应用的数字式电流和功率监控芯片--TPA626.


助力绿色5G,数字式电流和功率监测芯片--TPA626

TPA626具备专业特性,可直接监测分流电阻两端的差分压降,并转化成数字输出,同时可以监测单端总线电压,并后台计算功耗信息,通过I2C、SMBUS上报给主控芯片。其主要特点如下:


TPA626特点-1

TPA626电流采样输入端具有+/-81.92mV 的满量程输入范围,可直接对分流电阻电压进行采样。输入共模范围高达0V to 36V,可实现对高边或者低边、以及双向电流的监测。TPA626自身供电仅需低压,可支持2.7V to 5.5V供电。

TPA626特点-2

LSB步长仅为2.5μV,可准确检测小电流变化。最大增益误差0.4%,温漂特性良好。

TPA626特点-3

TPA626专门优化的小输入范围使器件能够直接在电流感应电阻器上进行测量。TPA626内置的16bit ADC,噪声较低,因此无需通过放大输入信号来提高ADC的满量程输入范围,避免了更多的误差源。ADC架构经过特殊优化,结合较低的输入噪声和快速的采样速度。与通用16位ADC相比,TPA626的最小分辨电压能力要高出30倍以上。

助力绿色5G,数字式电流和功率监测芯片--TPA626

助力绿色5G,数字式电流和功率监测芯片--TPA626

TPA626特点-4

集成高精度VREF,有良好的初始精度和低至10ppm左右的温漂,为整体性能提供了保障。加上前端优化的ADC结构,全芯片的增益误差在全温范围内非常稳定。

助力绿色5G,数字式电流和功率监测芯片--TPA626

TPA626特点-5

TPA626具有输入多路复用器,支持ADC输入电路在差分分流电压测量和单端总线电压测量之间进行切换。可直接测量高达36V的总线电压。

TPA626特点-6

用于分流电压和总线电压测量的ADC转换时间可编程为66μs至8.682ms之间。较长的转换时间有助于降低噪声敏感性和提高器件测量的稳定性。

助力绿色5G,数字式电流和功率监测芯片--TPA626

TPA626特点-7

除了可编程的ADC转换时间之外,TPA626可对多达1024个转换周期进行平均计算,并在平均计算完成后即可更新内部功耗、电流和电压寄存器。可编程转换时间以及平均窗口期允许调节器件遥测更新速率以满足系统时序需求。TPA626还具有可编程信号取平均值功能,以进一步提高测量精度。

TPA626特点-8

TPA626配有一个内部寄存器,用户可根据电流感应电阻器的值对其进行编程。TPA626可以在每次转换时直接将测量的分流电压转换为相应的电流值,加上电压测量、计算功率,并通过双线串行总线向处理器提供数据。

助力绿色5G,数字式电流和功率监测芯片--TPA626

TPA626特点-9

TPA626内部以交错方式分别测量分流电压和总线电压并计算功耗,从而最大限度减小功耗计算中的时间对准误差。内部功耗计算在后台完成,不影响ADC转换速率或数字总线通信。

TPA626特点-10

TPA626有一个ALERT引脚,它会在电流、功耗或总线电压超出预期工作范围时通知主机处理器。可将主机处理器解放出来管理其他任务,同时TPA626具有可编程警报寄存器,用户可以对该警报监视器进行配置,用以调整过流、过压或过功率门限。

TPA626特点-11

支持I2C和SMBUS总线。具有16个可编程I2C地址,方便系统在一个总线上同时使用多个芯片。并且支持对异常时钟中断进行自恢复处理。双线总线适用于于非隔离和隔离等各种场景的数字通信需求。



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