系统遥测技术：内容、原因与方法

作者：Sureena Gupta，全球模拟市场营销部Sami Sirhan，模拟系统工程设计部

前言

最近很多采用 FPGA 或 ASIC 的终端设备应用增加了对遥测技术的需求。对这一需求增长最高的主要市场领域是计算、通信、国防、航空电子以及工业市场。本文不仅将介绍何为遥测技术，而且还将讨论几种实施方案。

首先，什么是遥测技术？在本文中，遥测技术是指通过 PMBus、I2C 或 SPI 等数字接口进行的数据测量、控制与自动发送。电源中为什么需要遥测技术？许多终端应用都需要监控、甚至动态控制电压、电流、温度、功率以及几项其它器件参数。例如，在具有多相位电源的 FPGA 应用中，遥测技术可用来增加或除去一个相位，以便调节相关解决方案实现最佳性能。其它典型应用包括服务器、基站、路由器、国防应用以及测量测试设备。

遥测技术怎么才能用于您的应用呢？有几种方法可将遥测技术整合在系统中，其可为设计人员提供几个最大限度提高控制性、灵活性以及简洁性的选项。数字电源控制器可提供的优势包括提供具有微控制器 (MCU) 的集成型数据转换器以及一个广泛的寄存器集，其可用来采集和处理负责控制相关解决方案的传感数据，从而可实现最高水平的控制。如果需要便捷控制基本特性，则集成 PMBus（或 I2C、SPI 等）的控制器就是您应用的良好选择。数字接口电源控制器的替代方案可能是能够与分立模拟控制器及转换器结合使用的数字定序器或系统健康监控器。

选项 1：最高水平的控制

数字电源控制器

采用内建高精度模数转换器 (ADC) 的数字电源解决方案可帮助测量输入输出电压电流，采集遥测数据。该数据不仅可用于设置故障保护条件，而且还可记录在非易失性存储器中，有助于掌握故障原因。可整合在数字电源解决方案中的其它特性包括电压跟踪、裕度调节、排序、软启动定时、电流平衡以及加相／减相等。一般情况下，数字电源解决方案都配备有图形用户界面(GUI)，更便于最终用户配置和跟踪实时数据测量。图1是一个数字电源解决方案实例。



数字电源解决方案可针对可扩展性、数据实时监控以及某故障条件结果设置提供极高控制性和灵活性。但是，这种解决方案存在一定的复杂性，而且成本较高。虽然其对于某些应用而言是理想的解决方案，但是对其它应用而言就有点过了。

选项 2：简洁性集成遥测技术的 PMBus 转换器

如果目的是实现比数字电源控制器更简单的解决方案，则集成数字接口的模拟电源 IC 就是另外一种选项。虽然该选项可提供重要的遥测参数与控制，但缺乏数字电源控制器所能提供的各种控制功能。以下是这类解决方案通常用于储存测量与系统控制数据的几种 PMBus 寄存器：

· 输出电压裕度与调节
· 软启动时间
· VDD 欠压锁定 (UVLO) 电平..过流保护／流限设置
· 开关频率

这种解决方案与纯数字电源解决方案相比，成本更低、更简洁。然而不足之处是该解决方案不太灵活，因为寄存器集有限。

选项 3：灵活性外部数字系统健康监控器 + 电流传感器 + 温度传感器

在系统中增加遥测功能的另一种选项是添加数字系统健康监控器、高精度电流传感器以及温度传感器等外部 IC。这种选项可为使用业界任何电源管理 IC（带不带数字接口都行）提供高度的灵活性。此外，它还能够与这些外部 IC 配对，提供遥测功能。

数字系统健康监控器是提供电轨排序、裕度调节、UVLO、过压保护 (OVP) 及数字通信接口的 IC。它可采集和记录用于实现故障条件控制及其它系统控制的数据。如果还需要监控电流与温度，系统健康控制器还能够与电流传感放大器及温度传感器联合使用，如图 2 所示。



要准确感测电流，电流首先必须通过在电流路径中安放小额度低容差传感电阻器转换成电压。整个电阻器中的电压随后可通过 INA96 等电流分流监控器 IC 放大。这种 IC 可提供带来输出电压所必须的增益，该输出电压可发送至数字健康监控器的 ADC 输入端，然后再发送至相关 FPGA。

有些应用需要这种测量高精度，因此需要成本更高的外部高分辨率ADC。为了节省独立ADC的成本，电源监控IC（INA226）提供了集成型高精度ADC，其可监控电压与电流，计算功率并提供I2C遥测功能（图3）。



温度监控是另一种与电流监控类似的常见遥测应用。数字定序器等一些IC在裸片上配合内部温度传感器，以提供温度监控功能。但是，这会把温度读取限制在系统中的一个位置（裸片）上。要监控系统中几个点上的温度，比如每个电源的位置，则可采用远程温度监控IC把温度转换成电压，并提供遥测接口。

结论

有很多方法可通过遥测技术测量和控制系统。本文先介绍三种在系统中集成遥测技术的选项。数字电源可提供最高水平的控制，而配备数字接口的模拟电源解决方案则可带来高度的简洁性。外部系统监控器可在为解决方案选择理想部件方面提供最高灵活性。