78M6610+PSU 是一款能量測量處理器，嵌入在大功率開關模式電源單元 （PSU） 中，用于測量和報告系統使用的實時功率。與任何測量設備一樣，與78M6610 + PSU一起使用的檢測電路必須經過校準，然后才能將其測量視為準確。本應用筆記演示了如何使用78M6610+PSU校準測量子系統。

介紹

78M6610+PSU為電壓和電流測量的系統內校準提供了自動化例程，以考慮電壓和電流測量信號鏈組件中的系統間變化。對于交流測量，執行單點校準以計算系統的正確電流和電壓增益設置。新計算的增益可以作為新的默認值存儲在片上閃存中。電壓或電流輸入的任何直流分量都由78M6610+PSU固件中實現的數字高通濾波器去除;因此，不需要或執行直流失調校準。

本應用筆記介紹了78M6610+PSU電壓和電流測量的校準程序和比例。請注意，這些過程僅與固件版本 CB26 相關，對于未來版本可能會有所不同。

78M6610+PSU數據手冊和78M6610+PSU評估套件用戶手冊提供了補充本應用筆記的其他信息。

這里給出的示例假設電阻分壓器用于電壓檢測，分流電阻用于電流測量。所使用的傳感器類型不會改變校準程序，但未提供其他傳感器類型的示例。使用標準78M6610+PSU評估（EV）套件提供的GUI和電路板的校準程序的實際示例顯示在使用78M6610+PSUEVK的校準程序示例部分。

縮放值

為了校準電壓和電流測量值，并允許78M6610+PSU執行正確的功率計算，用戶必須首先設置正確的縮放值，以匹配所選傳感器和LSB尺寸。

固件提供電流、電壓、功率和頻率的縮放寄存器。對于前三個（電流、電壓和功率），這些縮放寄存器具有兩個功能：

設置測量的預期滿量程值。

設置報告值的分辨率或最低有效位 （LSB） 值。

對于最后一項（頻率），縮放參數不定義滿量程值，但會設置分辨率。

確定縮放值

為縮放寄存器選擇的值由 78M6610+PSU 的模數轉換器 （ADC） 的輸入范圍、目標系統或評估 （EV） 板上實現的傳感器和輸入信號調理電路以及 78M6610+PSU 數據字的長度決定。

模數轉換器輸入范圍

78M6610+PSU ADC 的輸入范圍為 ±250mV，參考 3.3V 電源 （V3P3A).確定電壓和電流縮放值的第一步是確定峰值輸入電壓和電流（在傳感器輸入端），該峰值電壓和電流在250M78+PSU的ADC輸入端產生±6610mV峰值。請考慮以下示例。

78M6610+PSU評估板具有用于線路電壓測量的分壓器，由兩個1MΩ電阻和一個750Ω電阻串聯組成，如圖1所示。

圖1.用于入口電壓檢測的分壓器。

線路電壓施加在整個電阻鏈上。ADC輸入是750Ω電阻兩端的電壓。ADC輸入端的電壓，V模數轉換器，可以計算為：

這會將輸入線路電壓調整為 0.000375 倍。使用此分壓器，78M6610+PSU 可以測量的最大電壓為：

因此，該分壓器的最大輸入電壓為±667V峰或 472V有效值，假設為正弦電壓波形。

對于電流測量，78M6610+PSU評估板使用0.004Ω分流電阻。在該電阻兩端產生±250mV壓降的電流幅度為：

4mΩ分流器可測量的最高峰值電流為62.5A。對于正弦電流波形，這相當于 44.19A有效值.在確定要測量的最大電流時，有必要考慮峰值電流而不是RMS電流。在電源應用中，由于功率因數校正，高負載下的電流波形通常幾乎是正弦的。因此，假設波峰因數（即峰值電流與RMS電流之比）在1.414和1.5之間是合理的。

這些計算表示電壓和電流縮放值的上限。在縮放寄存器中設置的值定義了固件可以測量和報告的最大幅度輸入。

測量分辨率

縮放寄存器中的值還設置了報告測量的分辨率。對于電壓、電流和功率，縮放值的計算方法是將基本測量單位（伏特、安培或瓦特）除以所需的分辨率或 LSB 的權重。

如表1和表2所示，LSB權重不限于測量單位的小數部分。

普卡爾價值

由于功率是電流和電壓的乘積，因此輸入到 PScale 寄存器中的值由用于確定 VScale 和 IScale 寄存器值的最大峰值電壓和電流值的乘積以及所需的功率報告分辨率確定。

例如，如果 V.MAX= 200V，電壓分辨率為10mV/LSB;我.MAX= 20A，電流分辨率為1mA/LSB;功率的LSB權重為1mW，PScale的計算公式為：

所有縮放值，尤其是 PScale，都受到大小限制：它們必須適合 24M78+PSU 的 6610 位數據字。縮放值實現為 24 位整數，但它們必須始終為正值。可以用 24 位整數表示的最大正值為 8，388，607 （223- 1).如果計算出的縮放值大于 8，388，607，則必須調整最大值和/或 LSB 權重，以生成可表示為 24 位有符號整數的正值。表 78 顯示了 6610M3+PSUEVK 的默認縮放比例。

78M6610+PSUEVK 的 PC 演示程序在顯示數據值和輸入校準目標值時考慮了縮放參數。

TScale、PFScale 和 FScale

其余的縮放值（TScale、PFScale和FScale）不會直接影響校準或測量值的滿量程范圍，而僅決定報告該值的分辨率或LSB權重。例如，如果 FScale 設置為 1000，則報告的頻率分辨率為 1/1000Hz。同樣，將 PFScale 設置為 1000 意味著在小數點右側報告三位數字的功率因數。

測量注意事項

在大多數情況下，電源應用所需的測量值是電壓、電流和功率。這些測量值在系統的電源入口處提供。然而，電氣隔離、物理約束和EMI等系統考慮因素可能意味著直接在電源插座上進行測量是不可行的。為了達到高精度，在校準過程中應考慮測量點之前的組件。對于開關模式電源，通常在輸入EMI濾波器的各個部分之間進行電壓和電流測量，如圖2所示。在這種情況下，78M6610+PSU不會測量濾波電容器（通常稱為X和Y電容器）中的電流以及PCB走線和共模扼流圈上的壓降，而是應在測量中考慮。

圖2.電源中的典型測量位置。

78M6610+PSU固件專門設計用于補償這些無法直接測量的電壓和電流組件。這些補償系數可以輸入為根據測試數據計算的固定值。該固件還包括自動校準程序，用于確定 X 和 Y 電容器的正確系數以及任何壓降。

一般校準

對于設備的常規校準，用戶可以通過命令寄存器設置和啟動校準程序。校準過程完成后，將清除命令寄存器位 23：16（設置為 0xCA 以發出校準命令），以及與成功校準的參數關聯的位。與任何失敗的參數關聯的位將保持設置狀態。命令寄存器的位圖如圖3所示。校準完成后，可以通過發出訪問 （ACC） 命令將新系數作為默認值保存到閃存中。

圖3.78M6610+PSU 命令寄存器位圖。

本應用筆記的后續部分將介紹使用78M6610+PSU時的具體校準過程。

電壓和電流增益校準

為了成功校準78M6610+PSU，用戶必須根據系統中使用的傳感器設置適當的電壓和電流比例因子，如確定縮放值一節所述。

必須為系統提供已知且穩定的電壓源和負載，如圖4所示，并且必須對要校準的傳感器施加穩定的交流電源和負載。與所應用的交流電源（通常用功率計測量）對應的值必須輸入到相關的目標寄存器（例如，VTarget、ITarget）中。

要開始校準，請將校準命令寫入命令寄存器。建議在校準期間設置線路鎖定模式。

最初，所選參數的增益值設置為單位。然后計算所有輸入的RMS值，并在CalCyc寄存器設置的測量周期數內取平均值。新增益的計算方法是將適當的目標寄存器值除以平均測量值。然后，新的增益將寫入選定的增益寄存器，除非發生錯誤。電壓和電流增益的計算基于目標值（通過寄存器VTarget和ITarget輸入）與測量值之間的誤差。誤差是多次測量的平均值，因此需要穩定的源和負載。

完成后，命令位在命令寄存器中清除，僅保留系統設置位。如果校準失敗，命令寄存器中的相應位將保持設置。校準例程將新的增益系數存儲在相關寄存器中。為了將新系數作為默認值保存到閃存，用戶必須發出 Access 命令。

圖4.用于系統校準的典型連接。

偏移校準

78M6610+PSU 固件提供用于校準偏移寄存器（Ioff、Voff）的內置例程。

為了校準偏移，應從所有輸入中移除所有直流信號;可以在存在交流信號的情況下進行校準。在命令寄存器中，用戶指定要校準的通道。目標寄存器不用于失調校準。

在校準過程中，每個輸入在CalCyc寄存器指定的整個校準間隔內累積。如果在校準命令中選擇了特定的偏移寄存器，則結果除以樣本總數，并寫入相應的偏移寄存器。偏移校準命令將高通濾波器 （HPF） 系數（HPFCoeffV、HPFCoeffI）設置為零，從而將偏移寄存器（Ioff、Voff）固定為其校準值。

為了將新系數作為默認值保存到閃存，用戶必須發出 Access 命令。

校準 X+Y 電容器和 R 補償系數

大多數大功率應用使用線路輸入濾波器來最大限度地降低EMI輻射，如圖5所示。濾波電容器中的電流（I帽） 前面的 78M6610+PSU 無法測量。由于電流相對于電壓是90°相移的，因此對功率測量沒有影響。但是，為了在電流測量中獲得高精度，電容器中的電流應與總電流（I有效值） 計算。

可以使用根據濾波電容值計算的固定補償系數值。濾波電容的容差通常為±20%，可能需要每個系統的特定系數，以便在電流測量中獲得更高的精度。78M6610+PSU 提供 X+Y 電容器補償系數的校準程序。X+Y電容補償系數的常規校準利用測量的電壓和頻率以及使用外部功率計測量的目標電流，如圖5所示。

要開始校準，用戶編寫校準命令，設置位 X、Y、R 和 I 以及其他所需的選項，例如線鎖定。在校準過程中，每個輸入在CalCyc寄存器指定的整個校準間隔內累積。完成后，將寫入 XYcomp 參數，并附上大容量電容的估計值。校準例程將新的增益系數存儲在相關寄存器中。

此例程不是遞歸的;用戶可能需要重新發出校準命令，直到電流讀數與目標電流匹配。

為了將新系數作為默認值保存到閃存，用戶必須發出 Access 命令。

圖5.在典型校準設置中使用線路輸入濾波器以最大限度地降低EMI。

片上溫度校準

要校準片內溫度傳感器，用戶必須首先僅將“T”命令位寫入“1”（所有其他位為0）。此命令可防止 78M6610+PSU 固件覆蓋 TempC 寄存器。接下來，用戶必須將已知的芯片溫度寫入TempC。最后，用戶將校準命令寫入0xCA0400（校準溫度）。這會導致 Toff 參數根據用戶提供的已知溫度使用新的偏移量進行更新。

為了將新系數作為默認值保存到閃存，用戶必須發出 Access 命令。

外部溫度校準

要校準外部溫度，用戶必須首先僅將“X”命令位寫入“1”（所有其他位為0）。這可以防止 78M6610+PSU 固件覆蓋 ExtTemp 寄存器。接下來，用戶必須將已知的外部溫度讀數寫入ExtTemp。最后，用戶編寫校準命令以0xCA0100（校準外部溫度）。這會導致Xgain參數根據用戶提供的已知外部溫度值使用新增益進行更新。

為了將新系數作為默認值保存到閃存，用戶必須發出 Access 命令。

校準程序

78M6610+PSU校準功能在校準點和執行校準的順序方面提供了極大的靈活性。例如，電流和電壓可以按順序或同時校準。當固件完成電流校準時，它會檢查是否也請求了電壓校準。如果是這樣，則開始電壓校準。雖然電壓和電流校準可以在任何工作點進行，但根據系統特性選擇校準點可以獲得最佳精度。

其他一些校準操作（如溫度校準）必須作為單獨的操作執行。如果圖 6 中橢圓形表示的校準功能沒有顯示退出箭頭，則意味著一旦校準功能完成，固件不會啟動任何進一步的校準操作，直到另一個校準命令（0xCA0000 + 請求位）寫入命令寄存器。例如，如果同時請求芯片溫度（位 10）、電流（位 11）和電壓（位 12），則僅執行溫度校準（位 10）;電流（位 11）和電壓（位 12）將保持設置。

固件處理不同校準請求的順序如圖6所示。在檢查圖3時，參考圖6中的命令寄存器位圖可能會有所幫助。

圖6.78M6610+PSU校準命令流程圖。

推薦的校準順序

執行不同校準操作的順序會影響預期工作范圍內測量結果的準確性。下面描述的序列已被證明可提供最佳結果。

在接近 PSU 設計電壓范圍低端的交流入口電壓下校準電流測量值。應加載 PSU 以提供 0.9 或更高的功率因數，如參考表所示。當電流校準在低電壓下完成時，X和Y電容器中的電流（由參考儀表測量而不是由計量設備測量）最小化。

在高線路電壓和低電流（I有效值< 500mA）。電壓和電流測量是獨立的。在低輸入電流下校準電壓可最大限度地減少 PCB 以及交流電源入口和 78M6610+PSU 測量點之間的組件中的壓降。

在高線路電壓和低電流下校準 X+Y 電容器補償。在高電壓下，X和Y電容器中的電流增加，在低電流下，電容器電流與78M6610+PSU測量的電流之比較大，這提高了X+Y電容器補償校準的結果。

在低輸入電壓和高電流下校準 R 補償。高電流會增加PCB和EMI濾波器中壓降的大小;低輸入電壓增加了入口和測量點之間的壓降與 78M6610+PSU 測量的電壓之比。

將更新的校準值保存到閃存中。

使用 78M6610+PSUEVK 的校準程序示例

本節逐步說明使用安裝在78W服務器電源上的標準6610M750+PSU評估板的校準程序。校準需要兩點，包括電壓、電流和 X+Y 電容補償系數。

對電源進行了修改，便于連接評估板。測量位置是此類應用的典型位置;圖7所示為電源輸入級（EMI濾波器）和評估板。

圖7.校準示例的測試設置。

為了對 78M6610+PSU 進行系統內校準，需要穩定的交流電源和電源輸出上的負載。還需要知道入口電流和電壓。如果交流電源無法提供電流和電壓的準確讀數，則需要功率計。

對于此示例，使用以下設備：

交流電源：色度型號6430?

功率計：色度型號66202

直流負載：Chroma型號6314、63106（直流負載主機和直流電子負載模塊）

具有 78M6610+PSUEVK 提供的標準 GUI 的計算機

第 1 步。電流增益校準

在此步驟中（見圖8），校準電流增益。X+Y電容補償系數的值必須設置為零。必須加載電源輸出以獲得近似單位的功率因數;功率因數通過功率計測量。電源輸入應設置為工作電壓的較低范圍（例如，100VAC）。這樣，電流對濾波電容器的影響最小，從而可以獲得更高的精度。必須輸入通過功率計讀取的電流值作為新的目標電流，并且必須輸入校準命令。

圖8.校準 78M6610+PSUEVK GUI 中的電流增益。

第 2 步。電壓增益校準

第二步（見圖9）包括校準電壓增益。在此步驟中，可以降低輸出負載。輸入電壓應設置為上限。

圖9.校準 78M6610+PSUEVK GUI 中的電壓增益。

第 3 步。X+Y 電容器補償系數校準

在第三步（見圖10）中，設置X+Y電容的補償系數。

圖 10.校準 78M6610+PSUEVK GUI 中的 X+Y 電容器補償系數。

第 4 步。將新計算的系數存儲在閃存中作為默認值

準確度結果

校準后的精度結果如圖11和圖12所示。

圖 11.120V 負載線有效值.

圖 12.230V 負載線有效值.

結論

許多系統（如服務器電源）需要準確實時報告負載的功率、電流、電壓和所有電氣特性。此報告對于正確的負載管理和診斷是必需的。為了達到高精度，建議進行系統內校準。正如我們在本應用筆記中看到的，78M6610+PSU提供了片上例程，以執行快速系統內校準。這些例程可以減少測試和校準時間，從而降低成本。