高精度功率与能量监测芯片LTC2947：设计与应用指南

在电子设备的设计中，精确测量功率和能量是至关重要的，尤其是在服务器、电信基础设施、工业设备、电动汽车和光伏等领域。LTC2947作为一款高精度的功率和能量监测芯片，为工程师们提供了强大而可靠的解决方案。下面我们就来详细了解一下这款芯片。

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一、产品概述

LTC2947是一款具有内部感应电阻的高精度功率和能量监测器，支持高达±30A的电流和最高15V的电压。它能够测量电流、电压、功率、电荷、能量和运行时间等七个参数，还能监测自身芯片温度。通过三个无延迟ΔΣ模数转换器（ADC），可同时精确测量电流、电压和功率，并通过外部时钟或板载振荡器计算累积的电荷、能量和时间。这些测量值存储在内部寄存器中，可通过可配置的I²C或SPI串行接口读取。

二、产品特性

1. 高精度测量
   • 电流测量范围为±30A，偏移低至9mA，内置300µΩ感应电阻，电流和电荷测量精度达1%，功率和能量测量精度为1.2%，电压测量精度为0.5%。
   • 三个无延迟ΔΣ ADC确保了电压和电流的精确测量，高带宽模拟乘法实现了功率的精确测量。
2. 宽输入范围：输入电压范围为0V至15V，且与电源电压无关。
3. 阈值报警功能：可设置各测量参数的高低阈值，当阈值被超过时会发出警报，并存储最大值和最小值。
4. 低功耗模式：关机模式下电流 (I_{0}<10 mu A)，有效降低功耗。
5. 接口兼容性：支持 (I^{2} C / SPI) 兼容接口，方便与其他设备通信。
6. 封装形式：采用32引脚4mm × 6mm QFN封装，节省空间。

三、工作模式

1. 上电模式：当所有电源电压超过欠压锁定（UVLO）阈值时，LTC2947启动，将所有寄存器设置为默认状态，进入空闲模式，等待主机进一步指令。启动并进入空闲模式约需100ms。
2. 空闲模式：所有内部电路处于活动状态，但不进行测量。可通过操作控制寄存器进入单次测量、连续测量或关机模式。
3. 单次测量模式（SSHOT）：设置操作控制寄存器中的SSHOT位后，LTC2947进行四次测量（电流、电压、功率和温度），更新相应寄存器和最小/最大值及阈值寄存器，不进行时间测量，电荷和能量寄存器不更新。完成测量后清除SSHOT位，设置状态寄存器中的UPDATE位，返回空闲模式。单次测量周期为100ms，主机可通过轮询状态寄存器中的UPDATE位检测测量周期的完成情况。
4. 连续测量模式（CONT）：设置操作控制寄存器中的CONT位后，LTC2947重复测量电流、电压、功率和温度，重新计算能量、电荷和时间，并更新最小/最大值跟踪和阈值寄存器。每个测量周期约100ms，电流和功率ADC在此模式下连续运行，确保不会遗漏电荷或能量。LTC2947将保持连续模式，直到用户重置操作控制寄存器中的CONT位。若在连续模式下设置SSHOT位，LTC2947将完成当前测量周期后进入单次测量模式，并清除操作控制寄存器中的CONT位。
5. 关机模式（SHDN）：设置操作控制寄存器中的SHDN位后，LTC2947进入关机模式，电源电流降至约10µA。若设备处于测量周期中，无论是单次测量还是连续模式，都会完成当前周期后进入关机模式，并清除SSHOT或CONT位。关机模式会清除电压、电流和温度测量结果，但保留累积的电荷和能量值以及所有阈值和跟踪值。在关机模式下，LTC2947继续监测串行接口，在SPI模式下，当CS引脚拉低时从关机模式转换到空闲模式；在 (I^{2} C) 模式下，确认正确的从地址后转换到空闲模式。从关机模式唤醒约需100ms，在此期间，忽略寄存器写入操作，对寄存器读取返回0x01。主机可通过轮询操作控制寄存器并观察0x00响应来确定LTC2947已唤醒并进入空闲模式。

四、测量原理

1. 电流、电压和温度测量
   • 电流测量：通过内部感应电阻的电流由一个ΔΣ ADC测量，测量范围为±30A，分辨率为3mA。共模电压范围从GND以下100mV到15.5V，与AVCC电源电压无关。该ADC采用一阶架构和连续偏移校准，确保所有输入样本以相等权重平均，不会遗漏任何样本，采样率为10MHz，每100ms报告一个新的平均值。
   • 电压和温度测量：由另一个ADC顺序测量VP和VM引脚之间的差分电压以及温度。电压测量分辨率为2mV，温度测量分辨率为0.204°C，差分电压测量范围为 -0.3V至15.5V，与电源电压无关。温度测量值不仅报告给主机，还用于补偿内部电流感应电阻的温度漂移，从而实现稳定的电流测量。
2. 功率测量：LTC2947使用第三个ADC在5MHz的全采样频率下对电压（VP - VM）和电流进行乘法运算，即使在100ms的转换时间内电流和电压发生同相变化，也能保持精度，适用于从具有显著阻抗的电源（如电池）获取功率的情况。
3. 电荷、能量测量和累积时间：LTC2947通过对电流和功率测量值进行时间积分来计算流向或流出负载的电荷和能量，并跟踪用于积分的总累积时间。积分时间基准可以由内部时钟、连接到CLKI的外部时钟或连接到CLKI和CLKO的外部晶体提供。对于电荷、能量和时间，LTC2947提供两组寄存器，每组寄存器可分别根据测量电流的符号、GPIO引脚的电平或控制寄存器的设置进行累积。还可以设置最小电流阈值，低于该阈值时停止积分。

五、接口与配置

1. 数字接口选择：LTC2947的串行接口可在SPI或 (I^{2} C) 模式下工作。选择SPI模式时，将AD0引脚连接到OVDD；选择 (I^{2} C) 模式时，根据表3连接AD0和AD1引脚以配置不同的 (I^{2} C) 地址。
2. SPI模式
   • 物理层：LTC2947作为SPI从设备，AD1引脚作为CS（片选，低电平有效）。逻辑输入阈值和输出摆幅由OVDD引脚的电压设置，建议从OVDD到DGND连接一个1µF的旁路电容。SDI引脚通常称为MOSI，SDO引脚称为MISO。LTC2947在SCL的上升沿采样SDI数据，在SCL的下降沿改变SDO数据（ (CPHA =0) ， (CPOL =0) ）。
   • 数据层：所有发送到LTC2947的数据以8位字节形式传输，MSB优先。LTC2947以相同格式返回数据，可在一次事务中发送多个字节。
   • 写协议：主机通过在事务中发送0x00作为第一个字节，然后发送要写入的第一个寄存器的地址，后续字节将写入该地址。LTC2947在接收到每个字节后递增地址指针，可在一次事务中写入多个字节，不完整的字节将被丢弃。
   • 读协议：主机通过在事务中发送0x01作为第一个字节，然后发送要读取的第一个寄存器的地址，LTC2947从该地址开始发送数据字节，发送每个字节后递增地址指针。可以读取任意数量的字节，若地址指针达到0xFF，将回滚到0x00。LTC2947忽略寄存器地址之后SDI线上的任何数据。
   • SPI警报处理：LTC2947可配置为在各种事件发生时通过ALERT引脚生成警报。启用警报时，设置警报主控制使能寄存器（0xE8）[0]中的ALERTBEN位（默认设置），通过清除掩码寄存器（地址0x88至0x8F）中的位来选择触发警报的事件。若警报启用，相应事件会使ALERT引脚拉低。在SPI模式下，主机必须读取状态、阈值和溢出警报寄存器（0x80至0x87）以释放ALERT引脚。
3. I²C模式
   • I²C设备寻址：若AD0在上电时未拉高，LTC2947工作在 (I^{2} C) 模式。通过连接AD1和AD0引脚可配置不同的 (I^{2} C) 地址。LTC2947在每次 (I^{2} C) 事务开始时检查AD0和AD1引脚，并响应相应的 (I^{2} C) 地址。
   • 起始和停止条件：当 (I^{2} C) 总线空闲时，SCL和SDA均处于高电平状态。主机通过在SCL保持高电平时将SDA从高电平转换为低电平来发出传输开始的起始条件；当主机完成与从设备的通信后，通过在SCL保持高电平时将SDA从低电平转换为高电平来发出停止条件，此时总线可进行另一次传输。
   • 总线卡住复位：LTC2947的 (I^{2} C) 接口包含一个总线卡住定时器，防止在传输过程中SCL信号中断时总线线路被无限期拉低。定时器在SCL或SDI为低电平时启动，在SCL和SDI均为高电平时复位。若SCL或SDI保持低电平超过50ms，总线卡住定时器将复位内部 (I^{2} C) 接口以释放总线，正常通信将在下次起始命令时恢复。
   • 确认信号：确认信号用于主机和从设备之间的握手。LTC2947在接收数据时，每第九个时钟周期将SDA线拉低以确认每个数据字节。若从设备未通过保持SDA高电平进行确认，主机应通过生成停止条件中止传输。同样，当主机从从设备接收数据时，必须每第九个时钟周期将SDA线拉低以生成确认脉冲。主机接收最后一个字节后，可保持SDA线高电平（不确认）并发出停止条件以终止传输。
   • 写协议：主机以起始条件开始写操作，随后发送7位从设备地址，R/W位设置为0。若从设备地址与AD0/AD1引脚编程的地址匹配，LTC2947确认地址字节。主机然后发送一个寄存器地址字节，指示要写入的内部寄存器。LTC2947再次确认并将寄存器地址锁存到其内部寄存器地址指针中。主机随后发送数据字节，LTC2947确认并将数据写入所选的内部寄存器。寄存器地址指针在每个字节确认后自动递增。当主机发送停止条件时，写操作终止，寄存器地址指针复位到00h。
   • 读协议：主机以起始条件开始读操作，随后发送7位从设备地址，R/W位设置为0。若从设备地址与AD0/AD1引脚编程的地址匹配，LTC2947确认，主机发送一个寄存器地址字节，指示要读取的内部寄存器。LTC2947再次确认并将寄存器地址字节锁存到其内部寄存器地址指针中。主机然后发送一个重复起始条件，随后发送相同的7位地址，R/W位现在设置为1。LTC2947再次确认，然后发送请求寄存器的内容。若主机确认，LTC2947将递增寄存器地址指针并发送下一个寄存器的内容。当主机发送停止条件时，读操作终止，寄存器地址指针复位到00h。
   • SMBus警报响应协议：LTC2947在 (I^{2} C) 模式下使用SMBus警报响应协议（ARA）管理警报。启用警报时，设置警报主控制使能寄存器（0xE8）[0]中的ALERTBEN位（默认设置），通过清除警报掩码寄存器（地址0x88至0x8F）中的位来选择触发警报的事件。若同一总线上有两个或多个设备在广播ARA时产生警报，标准 (I^{2} C) 仲裁会使优先级最高（地址最低）的设备先响应，优先级最低（地址最高）的设备最后响应。总线主机会重复警报响应协议，直到ALERT线释放。确定导致警报的设备后，主机可读取状态、阈值和溢出警报寄存器（0x80至0x87）以确定故障原因。在SPI模式下，读取状态或警报寄存器将释放ALERT引脚；在 (I^{2} C) 模式下，使用SMBus ARA协议释放ALERT引脚，读取状态或警报寄存器不会释放ALERT。

六、寄存器配置

LTC2947通过内部寄存器进行配置和与主机系统通信，寄存器地址通过串行接口访问。寄存器映射分为两个256字节的页面（PAGE0和PAGE1），共496个寄存器地址，但并非所有地址都被使用。

1. 分页机制：PAGE0包含所有数量、控制和状态寄存器，PAGE1包含所有阈值寄存器。每个页面的寄存器地址空间从0x00到0xEF，每个寄存器由一个8位字节的数据组成。多字节数据以小端格式存储，即最高有效字节存储在最低地址。一些地址为保留地址，写入未使用的保留寄存器或非保留寄存器中的保留位可能导致LTC2947出现意外行为，向非保留寄存器中的保留位写入0是允许的。读取未使用的寄存器通常无害，但会返回随机数据。地址范围0xF0至0xFF用于控制页面访问，这些寄存器（OPCTL (0xF0)和PGCTL (0XFF)）必须通过单字节事务写入，不能作为多字节写入的一部分。
2. 页面控制：页面控制寄存器（0xFF）用于选择活动内存页面，0表示选择PAGE0，1表示选择PAGE1。
3. 操作控制：操作控制寄存器OPCTL (0xF0)用于设置LTC2947的操作模式，清除其累积和跟踪寄存器，并重置设备。有单次测量、连续测量和关机三种操作模式。
4. 寄存器详细说明
   • 累积结果寄存器：包含两组累积的电荷、能量和时间寄存器。时间寄存器为无符号整数值，电荷和能量寄存器为二进制补码有符号整数值。每个累积量的值可通过将相应寄存器值乘以对应的LSB值来确定。若使用内部时钟或4MHz晶体作为参考时钟，使用表7中的LSB值；若使用外部参考时钟，根据表8计算LSB值。PRE(0xE9)[2:0]和DIV(0xE9)[7:3]的值应根据时基控制部分进行设置。
   • 非累积结果寄存器：包含电流、功率、电压、温度和VDVCC的测量值，所有量均表示为二进制补码有符号整数值。测量值通过乘以相应的LSB值进行缩放，温度值通过将TEMP寄存器值乘以0.204°C并加上5.5°C来计算。
   • 跟踪寄存器：跟踪自上次复位以来所有转换的最大值和最小值，值的缩放方式与非累积结果寄存器值相同，使用表10中的LSB值。
   • 控制寄存器：控制电荷、能量和时间的累积，配置GPIO引脚，并在使用外部时钟时设置时基。
   • 状态寄存器：报告寄存器更新、欠压锁定和参考时钟错误的状态。上电时，所有欠压锁定和上电复位位[3:0]设置为1。从关机模式退出后，UVLOA[0]和UVLOD[3]位设置，其他位清除，若关机前ALERT引脚置位的原因仅为UVLOAO[0]和UVLOD[3]位，则释放ALERT引脚。这些位可通过读取状态寄存器清除，清除后，若AVCC/DVCC电源引脚发生欠压事件，欠压寄存器和PORA将再次设置。若在警报主控制使能寄存器(0xE8)和状态掩码寄存器(0x88)中启用，事件也会触发ALERT引脚。
   • 阈值和溢出警报寄存器：当相应阈值被超过或寄存器溢出时设置。累积量会不断与保护值进行比较，以警告寄存器接近溢出，通常设置为每个寄存器最大值的90%。当任何量超过其保护阈值时，LTC2947在状态寄存器中设置相应的溢出位，生成警报（若启用），然后继续累积。在最大电流和电压输入下，溢出警报发出后通常会在数小时后发生回滚，为主机提供采取行动以避免数据丢失的时间。32位量（时间）的溢出阈值为0xE6 66 66 65 LSB，48位量（电荷、能量）的溢出阈值为±73 33 33 33 33 32 LSB。累积量的阈值和溢出比较器内部使用浮点格式，可能会出现轻微的位级比较差异，但累积结果寄存器与其相应阈值寄存器之间的比较精度始终优于0.001%。警报条件必须存在至少200ms才能由警报寄存器（0x81至0x87）报告。当配置和使用阈值和溢出警报寄存器（0x81至0x87）时，状态（0x80）和所有警报寄存器（0x81至0x87）必须在一次多字节事务中读取。
   • 掩码寄存器：用于控制哪些警报触发ALERT引脚。若掩码寄存器位重置为0，且警报主控制使能ALERTBCTL(0xE8)寄存器中的ALERTBEN位设置为1，则相应阈值的超过会使ALERT引脚拉低。当状态掩码寄存器STATUSM的位设置为0时，状态寄存器（0x80）的相应位将生成警报。

七、应用电路与布局考虑

1. 典型应用电路：文档中给出了12V、30A双向功率、能量和电荷监测的典型应用电路，包括使用 (I^{2} C) 接口和SPI接口的电路，以及48V双向功率、能量和电荷监测的隔离 (I^{2} C) 接口电路。这些电路展示了LTC2947在不同电源电压和接口要求下的应用。
2. 布局考虑