CN109844547B - 电流监测器电路 - Google Patents

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Abstract

电流监测器电路包括耦合到直流(DC)电源以感测电流信号的感测电阻器、耦合到感测电阻器以感测感测电阻器两端产生的电压的运算放大器(op‑amp)以及耦合到op‑amp和模数转换器(ADC)的低通滤波器。低通滤波器减少由于带外信号成分而引起的混叠。电流监测器电路耦合到ADC以提供电源负载电流的实时测量作为对主动电力管理(APM)固件的输入。

Description

电流监测器电路
背景技术
电子装置例如打印装置、计算装置、显示装置和扫描装置连同很多其它电子装置可包括向电子装置提供电力的电源。在电子装置的壳体内部的电源可用于将可接受水平的电力提供到电子装置。
附图说明
附图示出本文所述的原理的各种示例，且是说明书的一部分。所示示例仅为了说明被给出且不限制权利要求的范围。
图1是根据本文所述的原理的一个示例的电流监测器电路的方框图。
图2是根据本文所述的原理的另一示例的电流监测器电路的图。
图3是根据本文所述的原理的又一示例的电流监测器电路的图。
图4是根据本文所述的原理的又一示例的电流监测器电路的图。
图5是描绘根据本文所述的原理的一个示例的用于监测电源的电流负载的方法的流程图。
图6是描绘根据本文所述的原理的另一示例的用于监测电源的电流负载的方法的流程图。
图7是根据本文所述的原理的一个示例的扩展电流监测器电路的图。
在全部附图中，相同的参考数字表示相似的、但不一定相同的元件。
具体实施方式
虽然较大的电源可用于确保产品可在所有条件下操作，但这个较大的电源可阻止实现对产品的尺寸、成本的设计目标和其它设计考虑因素。
此外，使用较低成本、较小电源来满足物理封装约束可暗示电源将具有较小的额定功率。这个电源如果被允许过载则可能导致产品关闭和/或故障。产品关闭或故障可导致消费者不满意，因为工作被中断或损坏且干预用于恢复操作。这可导致对电子装置的制造商和销售者的不良经济反响。
一种电源设计方法可通过确定可能存在的最大可能负载来产生用于运行电子装置的电力的最坏情况估计。可接着指定适当的电源。然而，当实际总负载小于预计的最坏情况时，这种蛮力方法导致更大的、更昂贵的电源以在大部分时间满足电力需求。
不管电源是位于电子装置例如产品外部还是位于电子装置内，它的尺寸仍然会影响总产品尺寸和工业设计，其影响效用和消费者满意度。因此，存在最小化尺寸和成本并且又最小化电源的额定输出功率的增加的压力。
在一些示例中，与上面提到的蛮力方法相比，可使用存储在例如电子装置(图1，106)的数据存储装置(107)中的主动电力管理(APM)固件(108)。APM是由例如与电子装置(图1，106)相关联的处理装置执行的固件，并在电子装置上运行以计算由电子装置的在本文被称为“电力客户端”的多个功耗元件消耗的功率的预定估计的总和。这些电力客户端可包括例如输入/输出(I/O)功能(例如通用串行总线(USB)主机)、Wi-Fi无线通信模块、数字控制系统(例如多核处理器、闪存、DDR存储器和电源调节器)以及用于显示器和指示器的发光二极管(LED)照明连同其它类型的电力客户端。由这些电力客户端消耗的功率的估计在它们的操作条件改变时被更新。表示总电源(PS)负载的它们的总和被馈送到确定如何和何时调节电子装置的操作的APM固件。例如，APM固件可调节打印装置的打印机构，例如电机、笔和打印装置的其它电力客户端，以减慢所打印的吞吐量以避免PS关闭。
然而，电路效率和功耗随着负载和操作条件(包括所使用的固件、在电子装置内的数据速率、电子装置的操作模式、温度和部件容差等等)而改变。因此，这些模型化电力客户端估计有意地变得保守以失之过高，以便避免未预料到的PS关闭或落锁。在这种情况下，可以用由硬件和系统工程师发送给固件工程师的频繁更新来执行很多开发工作以在可能的场合更新被报告为每个电力客户端的操作模式的功能的最大功率。人力资源和相关费用的这种类型的利用不是不重要的，且可能过度地加负担于公司的研究和开发资源。
本文所述的示例提供测量电子装置的PS负载的可靠的、有成本效益的方法和系统，以允许相对更小和可容许地小的PS在电子装置内被使用，以确保产品可在所有条件下操作并实现对产品的尺寸和外壳的设计目标。因此，本文所述的示例提供电流监测器电路。在一个示例中，电流监测器电路可合并在电子装置内。电流监测器电路包括耦合到直流(DC)电源以感测电流信号的感测电阻器、耦合到感测电阻器以感测感测电阻器两端产生的电压的至少一个运算放大器(op-amp)以及耦合到op-amp和模数转换器(ADC)的低通滤波器，低通滤波器去除由于带外信号成分而引起的混叠或虚假测量。电流监测器电路耦合到ADC以提供PS负载电流的实时测量作为输入。
电流监测器电路还包括单位增益缓冲器以防止或减小可能由在ADC的输入处的充足的泄漏电流引起的感兴趣的偏移误差。齐纳二极管可被包括以减小PS电压以满足op-amp的额定最大电压。电流监测器电路相对于ADC公共的总敏感度被设置为允许所关注的峰值PS负载电流的测量，同时符合ADC的输入电压范围和在电流感测电阻器中的可允许的功耗。
电流监测器电路还包括经由齐纳二极管的适当选择而实现的自动电源关闭特征，且用于减小到op-amp的PS电压。当PS电压在它的正常操作电压下时，齐纳二极管向op-amp提供足够的供电电压。此外，当PS电压减小时齐纳二极管不向op-amp提供供电电压，以便提供省电和产品关闭模式或电源状态。因此，在电子装置从操作模式或电源状态改变到省电模式例如待机或关闭模式或电源状态时，可在电子装置中的电流监测器电路中使用齐纳二极管。
可选择电流监测器电路的低通滤波器截止频率以允许ADC和其它测量系统检测超过PS的内部电流限制的PS瞬时负载并足够快地对PS瞬时负载做出响应。可选择与低通滤波器(LPF)截止频率一致的这个采样率，以便为期望水平的系统性能实现控制系统带宽。为了有效地测量具有例如50Hz带宽的信号，可以按照满足尼奎斯特采样标准的尼奎斯特速率使用信号中的最高有效频率的至少两倍的采样率。因此，对于这一个示例，可使用暗示在大约10ms的样本之间的最大周期的大约100Hz最小采样率。
电流监测器电路可包括耦合在感测电阻器和op-amp的正端子之间的分压器以提供正偏移来补偿在op-amp和ADC内的偏移。
本文所述的示例还提供用于监测PS的电流负载的系统。该系统包括向电子装置供应电力的直流(DC)PS和电流监测电路。电流监测电路包括耦合到直流(DC)PS以感测电流信号的感测电阻器、耦合到感测电阻器以放大感测电阻器两端产生的电压的至少一个运算放大器(op-amp)以及耦合到op-amp和模数转换器(ADC)的低通滤波器。低通滤波器去除由于带外信号成分而引起的混叠或虚假测量。可执行计算机可读代码可存储在存储器装置上，以当由处理装置执行时基于电流监测器电路的输出来计算PS负载，并基于PS负载使用主动电力管理(APM)固件(108)来调节通过电子装置分配的电力。
电流监测器电路还可包括自动电源关闭电路。如果操作电流监测器电路的供电电压从在操作模式下的较高电压改变到在省电模式(例如睡眠或关闭)下的减小的电压，则齐纳二极管阻止到电流监测器电路的电力。电流监测器电路还可包括单位增益缓冲器以去除在ADC输入端内的泄漏电流。此外，在一个示例中，电流监测器电路耦合到ADC输入端以提供PS负载电流的实时测量。
本文所述的示例还提供用于监测电源的电流负载的计算机程序。产品包括计算机可读存储介质，包括计算机可用程序代码，计算机可用程序代码利用计算机可读存储介质实现。计算机可用程序代码当由处理器执行时基于电流监测器电路的输出来计算PS负载。
电流监测器电路包括耦合到直流(DC)PS以感测电流信号的感测电阻器、耦合到感测电阻器以感测感测电阻器两端产生的电压的至少一个运算放大器(op-amp)以及耦合到op-amp和模数转换器(ADC)的低通滤波器。低通滤波器防止或减少由于带外信号成分而引起的混叠或虚假测量。计算机可用程序代码当由处理器执行时也基于PS负载使用主动电力管理(APM)固件(108)来调节通过电子装置分配的电力。在一个示例中，电流监测器电路还包括缓冲器op-amp以防止或减少由ADC或耦合在电流监测器电路和ADC之间的可选的复用器处的泄漏电流引起的偏移误差。系统可使用主动电力管理(APM)固件(108)基于所测量的时变PS负载(包括由电流监测器电路耦合到的PS供电的电子装置的多个子系统的可表征和不可表征的负载)来对通过电子装置分配的至少一个可控负载调节电力。产品还包括计算机可用程序代码以当由处理器执行时用ADC以适当的采样率对由电流监测器电路输出的电压采样。在一个示例中，采样率可以是每10ms至少一次，虽然当与系统设计一致时也可使用更慢的速率。然而，10ms是采样率的一个示例，且可使用更慢或更快的采样率。
甚至更进一步地，如在本说明书中和在所附权利要求中使用的，术语“多个”或类似的语言要被广泛地理解为包括1到无限大的任何正整数；0不是数量，而是数量的缺乏。
在下面的描述中，为了解释的目的，阐述了很多特定的细节，以便提供对当前系统和方法的彻底理解。然而对本领域技术人员将明显，当前的设备、系统和方法可在没有这些特定细节的情况下被实践。在说明书中对“示例”或类似语言的提及意指关于那个示例所述的特定特征、结构或特性如所述的被包括，但可以不被包括在其它示例中。
现在转到附图，图1是根据本文所述的原理的一个示例的电流监测器电路(100)的方框图。电流监测器电路(100)可被包括在电子装置(106)内。如上面所提到的，电子装置(106)包括提供被容纳或体现在电子装置(106)内的电源(102)的元件，而不使用外部电源(102)(其使用外部DC输出电缆)。电子装置(106)可以是消耗电的任何装置，包括例如打印装置、计算装置、扫描装置、显示装置、游戏装置、其它类型的电子装置或其组合。
电流监测器电路(100)包括耦合到直流(DC)电源(PS)(102)以感测DC PS(102)的电流信号的感测电阻器(101)。电流监测器电路(100)还包括耦合到感测电阻器(101)以感测感测电阻器(101)两端产生的电压的至少一个运算放大器(op-amp)(103)。在本文所述的示例中，至少一个op-amp(103)可包括两个op-amp，其中两个op-amp在电流监测器电路(100)内执行不同的功能。下面将关于图3和图7描述包括两个op-amp的电流监测器电路(100)的示例。
低通滤波器(104)可耦合到op-amp(103)和模数转换器(ADC)(105)。ADC(105)可以是提供模拟信号转换用于数字处理的任何硬件装置或元件。低通滤波器(104)防止或减少由于带外信号成分而引起的混叠。电流监测器电路(100)耦合到ADC(105)以提供PS负载电流的实时测量。现在将关于图2和图3描述关于电流监测器电路(100)的更多细节。
图2是根据本文所述的原理的另一示例的电流监测器电路(200)的图。电流监测器电路(200)可体现在电子装置(图1，106)的母板、电子装置(图1，106)内的主电子电路板上或集成到电子装置(图1，106)的母板、电子装置(图1，106)内的主电子电路板中，作为专用集成电路(ASIC)的一部分，作为单独的集成电路，或作为集成电路设计的一部分或以集成电路设计的另一形式。电流监测器电路(200)位于由“A”(201)指定的点处的PS(图1，102)的电力返回和如由“B”指定的ADC(图1，105)之间，“B”指示到ADC(105)的信号输出的点。节点A(201)连接到PS调节的输出电压返回端子，并用作到PS(102)的连接器以及到PS(图1，102)的返回。这允许电流监测器电路(100)内的所有负载具有到信号返回或地(203)的公共返回路径。此外，在Rs(202)与连接到节点A(201)的线的接合点的右边的节点的部分是低电流信号分支。这个低电流信号分支充当op-amp(204、304)的信号返回并携带低电平电流。这个低电流信号分支在从Rs(202)到端子A(201)的高电流返回的情况下不包括任何公共阻抗，以便防止或降低在电流监测器电路中的受损性能的可能性。
电流监测器电路(200)可包括串联地定位在信号返回或地(203)与PS(图1，102)的PS返回(A)(201)之间的感测电阻器(Rs)(202)。基于图2的电路设计，由于电流监测器电路(200)内的op-amp电路和偏压电阻器，非常少的电流流经耦合到PS(图1，102)的PS返回(A)(201)的节点中的其余节点。因此，被感测的所有PS负载电流流经感测电阻器(202)。在一个示例中，感测电阻器(202)是0.1欧姆(1％)电阻器。然而，基于电流监测器电路(200)的期望电压和电流特性，本文所述的感测电阻器(202)和所有其它电阻元件可具有更小或更大的电阻。
在感测电阻器(202)上产生的电压与由PS(图1，102)产生的电流具有直接线性关系，且可在它被ADC(图1，105)测量之前被放大。在一个示例中，在感测电阻器(202)上产生的电压是到op-amp(A1)的同相输入端(+)(206)的输入的一部分。作为响应，op-amp A1(204)的输出电压是由PS(图1，102)供应的电流的函数。在这样的应用中使用的ADC(图1，105)测量正极性信号，例如高于地(203)电位的那些信号。相对于op-amp A1(204)的接地端子(205)的在op-amp(A1)的同相输入端(+)(206)处的电压等于感测电阻器(202)两端的电压加上电阻器R2(207)两端的外加偏移电压。在一个示例中，R2(207)是1,000(1K)欧姆电阻器。使用负反馈回路(210)，op-amp A1(204)将在op-amp A1(204)的反相输入端(-)(208)处产生与在op-amp A1(204)的同相输入端(+)(206)处呈现的相同的电压。在一个示例中，反馈回路(210)包括反馈电阻器(R3)(211)。在一个示例中，R3可以是10,000(10K)欧姆电阻器。由于连接到op-amp A1(204)的电阻比并且由于没有电流流到op-amp A1(204)内，与输出电压的已知增益关系将被实现。在感测电阻器(202)可以是0.1欧姆的一个示例中，在op-amp A1(204)的输出端(209)处的电压的变化是流经感测电阻器(202)的电流的每安培大约1伏特(1V/A)。
在一个示例中，PS(图1，102)的主DC输出(PSout)(212)是大约32伏特并连接到电路监测器电路(200)。齐纳二极管(D1)(213)也被包括在电流监测器电路(200)中并与PSout(212)相关联。齐纳二极管(D1)(213)像其它半导体二极管一样允许电流从它的阳极流到它的阴极，但当达到它的齐纳电压时也允许电流在反向方向上流动。在一个示例中，op-amp(A1)(204)使用op-amp正电源(Vs+)(214)处的大约6伏特到7伏特的最小值，以便产生输出端(209)处的大约0到3.3伏特的电压以符合ADC输入转换范围。此外，PS(图1，102)调节的输出电压(PSout)(216)可接近或超过op-amp(A1)(204)的最大供电额定电压，例如35伏特。因此，齐纳二极管(D1)(213)确保被供应到op-amp(A1)(204)的电压在消除超过op-amp(A1)(204)的额定电压的可能性的范围内，同时仍然给op-amp(A1)(204)供电。在一个示例中，16V齐纳二极管(D1)(213)用于从PSout(212)的大约32伏特产生大约16伏特。齐纳二极管(D1)(213)还确保操作电压例如上面提到的6伏特到7伏特最小值被供应到op-amp(A1)(204)。
电流监测器电路(200)还可包括在电压下降的齐纳二极管D1(213)之后的电容器(C1)(221)，以为这样产生op-amp(A1)(204)电源Vs+(214)提供AC旁路和滤波，该电源在一个示例中是大约16V DC。在一个示例中，电容器C1(221)可以是陶瓷的、1μF值、额定值在25V，以适应这个产生的供电电压并提供在高频下的足够低的阻抗。
电流监测器电路(200)还可包括多个额外的元件，其包括滤波电容器(C2)(215)。在一个示例中，滤波电容器(C2)(215)是0.1微法拉(μF)电容器。滤波电容器(C2)(215)用于减小可能甚至存在于适当的良好调节的DC电源(PS2)(216)上和Rs(202)两端产生的所感测的PS负载信号中的噪声的高频带外分量。
PS2(216)在例如电路板上的其它地方产生，电流监测器电路(200)存在于该电路板上。R2(207)以及位于PS2(216)和R2(207)之间的电阻器(R4)(217)起分压器的作用，且在一个示例中将PS2(216)的电压分成大约16毫伏(mV)。在一个示例中，R4可以是200,000(200K)欧姆电阻器。与PS2(216)电压结合，分压器(207、216、217)提供正偏移以补偿存在于op-amp(A1)(204)处的最大特定偏移和ADC(图1，105)的最大特定偏移以确保ADC可产生在感兴趣范围上的PS(图1，102)负载电流的有效测量。
如图2所示，电流监测器电路(200)可包括从op-amp A1(204)的反相输入端(-)(208)分别连接到PS返回(A)(201)的低电流分支和op-amp(A1)(204)输出端(209)的电阻器R5(222)和R3(211)，以便提供足够的电压增益的稳定负反馈比以产生以DC PS(图1，102)负载电流的每安培伏特为单位的期望监测器敏感度。在一个示例中，R5可以是1,000(1K)欧姆电阻器，而R3(211)可以是10,000(10K)欧姆电阻器。因此，经由分压器(216、207、217)提供的电压与由Rs(202)提供的电压串联连接(即，合计)；那个总和经由op-amp(A1)(204)被放大以得到相对于PS返回(A)(201)的在op-amp(A1)(204)的输出端(209)处的电压Vm，其可被定义如下：
Figure BDA0002035377210000071
其中Vs是出现在同相输入端子(206)和op-amp A1(204)信号返回(205)之间的电压。Vs等于Rs(202)两端产生的感测到的PS负载电流信号加上由于PS2(216)、R4(217)和R2(207)引起的R2(207)两端的固定偏移电压的总和。在一个示例中，一加上比率R3/R5可等于大约11。相对于信号地(203)的在节点B处连接的ADC(图1，105)处测量的信号是按照方程1，但通过感测电阻器Rs(202)两端产生的电压而被减小。
如上面所提到的，返回到PS(图1，102)的所有返回电流通过PS返回(A)(201)来返回。PS返回(A)(201)连接到电流监测器电路(200)的电路和相关联的主板电路。此外，PS返回(A)(201)从op-amp(A1)(204)的电力返回引脚(205)收集电流，因为它具有在电流监测器电路(200)内的最低电压电位。
如上面所提到的，在op-amp(A1)(204)的输出端(209)处由ADC(图1，105)测量的电压的变化是流经感测电阻器(202)的电流的大约每安培1伏特(1V/A)。这个敏感度在ADC(图1，105)输出范围是0到3.3V的情况下允许高达至少三安培峰值的测量。
按照对本文的电流监测器电路(200、300、400)描述的分量值的示例，相对于电路数字地(203)，由ADC(图1，105)测量的标称电压Vsense是预期标称DC偏移电压和感测到的PS负载电流的组合。按照这个方程，可从所测量的值Vsense计算PS负载电流：
Figure BDA0002035377210000081
包括电容器(C3)(224)和电阻器(R6)(223)的低通滤波器被包括在电流监测器电路(200)内。低通滤波器(223、224)提供可能在ADC(图1，105)的采样率之外的高频噪声的减小。低通滤波器(223、224)使具有低于某个截止频率的频率的信号通过，使具有高于截止频率的频率的信号衰减，并在由ADC(图1，105)执行的模数转换之前调节由op-amp(A1)(204)输出的信号。高频分量的减小通过用作抗混叠滤波器以这种方式防止或减少虚假测量。在一个示例中，R6(223)是3,320(3.32K)欧姆电阻器。在一个示例中，电容器(C3)(224)是1.0微法拉(μF)电容器。在一个示例中，组合的这两个分量值实现具有大约48Hz的截止频率的低通滤波器。
低通滤波器(223、224)防止或减少由于带外信号成分引起的在ADC(图1，105)的测量中的混叠。然而，由于大部分低成本op-amp的有限带宽(这否则可损害低通滤波器(223、224)的滤波效率)，可使用电容器(C2)(215)来实现在较高频率下操作的辅助低通滤波器。
基于尼奎斯特采样标准，最小采样率在低通滤波器(223、224)的响应的情况下可以是每10ms一次。给定过电流保护(OCP)，超时在很多目标电源中是760ms，这个所推荐的采样率允许用于实时地跟踪峰值系统功耗并对峰值系统功耗做出响应的合理响应时间以避免PS关闭。可通过改变在op-amp负载限制内的后低通滤波器(223、224)值来使用较短的电阻器/电容器时间常数，以允许更高的更新率。
经由在op-amp(A1)(204)的低输出电阻和ADC(图1，105)之间的R6(223)的例如3.32K欧姆的增加的低通滤波器电阻的副作用增加了在ADC(图1，105)处电流的虚假读数的可能性。例如，如果有到ADC(图1，105)内的泄漏电流，则那个电流将流经R6(223)，并由于所带来的电压降而引起电压的虚假读数而不是感测到op-amp(A1)(204)的输出电压。因此，低通滤波器(223，224)的DC电阻可与在对ADC(图1，105)的输入处的泄漏电流结合来引起某个测量偏移误差。
如果对低泄漏ADC输入的访问是不可用的，则可通过包括可在与op-amp(A1)相同的封装中可用的另一op-amp(A2)(图3，304)来修改电流监测器电路(200)。op-amp(A2)(304)然后将用作在低通滤波器(223、224)后面的单位增益缓冲器，如在图7中描绘的得到的配置。图3是根据本文所述的原理的又一示例的当使用A1(204)的双op-amp分量且使用第二op-amp A2(304)的电流缓冲器功能未被使用时的电流监测器电路(300)的图。被包括在图2中并关于图2所述的类似地编号的元件标示在图3的电流监测器电路(300)内的类似元件。
图4是根据本文所述的原理的又一示例的电流监测器电路(400)的图。被包括在图2和图3中并关于图2和图3所述的类似地编号的元件标示在图4的电流监测器电路(400)内的类似元件。图4描绘图2的电流监测器电路(200)的另一示例，其中op-amp(A2)(304)耦合到在电容器(C3)(224)和电阻器(R6)(223)之间的节点处的低通滤波器(223、224)。
在这个配置中，op-amp(A2)(304)用来例如进一步缓存图2的电流监测器电路(200)的输出(B)。当用输入泄漏电流驱动ADC输入(这可能引起在所测量的信号中的可变偏移误差)时，图4的电路设计进一步缓存输出。op-amp(A2)(304)的输出节点(309)是信号，且是将由ADC(图1，105)测量的流经Rs(202)的PS负载电流的函数。
按照图4的在电流监测器电路(300)中的op-amp(A2)(304)的添加可允许驱动任何可用的模拟复用器或ADC输入，而不考虑它的泄漏电流规范。所添加的op-amp(A2)(304)的额外偏移电压也由从+3.3V PS2(216)施加的DC偏移适应。由位于op-amp(A2)(304)的输出端(309)和连接到PS返回(A)(201)的它的返回供应引脚(307)之间的电阻器(R7)(305)供应的10K欧姆负载可确保足够的低电压输出范围。这个负载电阻的使用和值可取决于为A2(304)选择的op-amp，如由它的制造商的数据表所述的。在一个示例中，op-amp(A1、A2)(204、304)可被包括在同一集成电路封装中，因为硬件的这样的布置可能制造起来较不昂贵。此外，在这个示例中，集成电路封装可以是低成本双op-amp，例如由德州仪器公司制造和配销的LM358。
如果使用A1的双op-amp且不包括A2的缓冲应用，则A2可配置成避免影响A1的操作。这可被实现为在图3中描绘的，其中op-amp(A2)(304)的同相输入端(+)(306)和接地端子(307)耦合到PS返回(A)(201)。使用近似6伏特到7伏特在op-amp正电源(Vs+)(314)处给op-amp(A2)(304)供电，如上面关于op-amp(A1)(204)的op-amp正电源(Vs+)(214)所述的。op-amp(A2)(304)还包括将它的输出端连接到它的反相输入端(-)(308)的反馈回路(310)。
在图4的示例中，从op-amp缓冲器(A2)(304)的输出端(309)获取对ADC(图1，105)的输出。作为缓冲器，op-amp(A2)(304)使ADC(图1，105)的泄漏电流去耦以向ADC输入(图1，105)提供op-amp(A1)(204)的正确输出而不引起通过低通滤波器(223、224)的电压降。
关于电流监测器电路(200、300、400)及其包装的位置，在一个示例中，Rs(202)电流监测器电路(200、300、400)可放置成接近PS返回(A)(201)(即，PS返回)以提供感测到的电流信号的最佳检测。此外，在一个示例中，包括在大约48Hz标称值下的-3dB截止的低通滤波器(223、224)可放置成接近ADC(图1，105)的输入以减小由可尽可能实际地避免的嘈杂的相邻迹线注入的偏移。进一步地，从任何相邻功率电感器(不管是安装在路由信号层之上还是之下)注入的电压的耦合可被避免以防止或减少引起的噪声和来自相邻电路的误差。
至于具有一些PS模块的电流监测器电路(200、300、400)的应用，最大负载电流峰值可以小于本文所述的电路设计允许的3A。例如，如果峰值是1.5A最大值，则在放大器A1(204)处的电流监测器电路(200、300、400)的两倍的电路增益可与经由PS2(216)、R4(217)和R2(207)被加到电流感测电阻器Rs(202)的偏移电压的相应减半一起被使用。在这个示例中，op-amp(204、304)具有最小10K欧姆负载以确保它们的输出可在低输出电压条件下足够低地摆动。在这个示例中，经由现有的10K反馈回路电阻器(R3)(211)在没有额外的元件的情况下提供A1(204)负载。为了增加增益敏感度，Rs(202)可被加倍到大约0.2欧姆，或R3(211)可被加倍到20K欧姆。在反馈电阻器值R3(211)被加倍的后一情况下，20K负载电阻器(未示出)可被添加在A1op-amp(204)输出和电力返回(201)之间以维持足够的op-amp负载以实现最低有效输出电压。
再次转到图2和图3，可在电子装置(106)从一个电源模式移动到另一电源模式期间使用齐纳二极管(D1)(213)。ENERGY STAR是美国政府支持的自愿标签计划，其帮助消费者和组织节省钱并通过标识工厂、办公设备、家用电器、电子装置和具有卓越等级的能量效率的其它装置来减少能量消耗。按照描述ENERGY STAR的美国能源部(DOE)网站，在1992年，美国环境保护署(EPA)将ENERGY STAR介绍为设计成标识并促销能量有效的产品以减少温室气体排放的自愿标签计划。计算机和监视器在首先被标记的产品之中。一直到1995年，EPA将标签扩展到另外的办公设备产品以及住宅加热和冷却设备。在1996年，针对特定的产品类别，EPA与美国DOE合伙。ENERGY STAR标签现在在主要电器、办公设备、照明、家用电子装置、新家以及商业和工业建筑物和工厂上。ENERGY STAR证书在各个国家中常常是政府购买合同和一些管理机构的必要条件。
当本文所述的电流监测器电路(200、300、400)的输出电压PSout(212)在电子装置(图1，106)的操作电压处时，该操作电压在一个示例中可以是32V，电流监测器电路(200、300、400)可消耗来自PS(图1，102)的几毫安电流。本文所述的电流监测器电路(200、300、400)在电子装置(图1，106)的操作模式期间，当该电路功能不被使用时，可利用齐纳二极管D1(213)来减小电流监测器电路(200、300、400)的功耗。这样的电力节省的益处至少部分地有助于使电子装置(图1，106)能够实现ENERGY STAR标准。
现在将提供关于在打印装置中的电流监测器电路(200、300、400)的应用的示例。打印装置可包括三种操作模式，即，关闭、睡眠和活动(其包括空闲)。支持这些模式，消费者的PS(图1，102)和小企业打印机可借助于来自打印装置的主电路板的控制信号在两种输出模式(正常和睡眠)下操作。PS(图1，102)在一个示例中可在正常模式下提供标称32V DC的单个经调节的输出并且在睡眠模式下提供12V DC的减小的标称输出。当电子装置(图1，106)在它的睡眠和关闭模式下时，PS(图1，102)的睡眠模式(减小的DC输出电压)帮助减小电子装置(图1，106)的总功耗。这实现消费者的能量成本的减小，并逐渐地帮助电子装置(图1，106)满足美国ENERGY STAR标准。
当电子装置(图1，106)在进入低电力待机电源状态(即，睡眠电源状态)和关闭电源状态时减小它的PS(图1，102)输出电压PSout(212)时，电流监测器电路(200、300、400)的电力减小可出现。
与主动模式消耗相比，增加的省电可能小，但在睡眠和关闭模式期间电流监测器电路(200、300、400)的供电电流仍然是对实现在睡眠和关闭模式下允许的较低电力水平的重要且有价值的贡献。电流监测器电路(200、300、400)的这个省电特征因而经由齐纳二极管(D1)(213)的电压阈值的优化选择通过设计来实现而没有任何额外的部件、成本或特殊固件或固件处理。因此，电流监测器电路(200、300、400)对满足ENERGY STAR标准的电子装置(图1，106)做贡献。
图5是描绘根据本文所述的原理的一个示例的用于监测电源(PS)(图1，102)的电流负载的方法的流程图。图5描绘用于管理由电子装置(图1，106)使用来自PS(图1，102)的电力的所修改的方法。该方法可包括基于上面关于图1到图4所述的电流监测器电路(200、300、400)的输出来计算(块501)PS负载。可基于PS负载使用存储在例如电子装置(图1，106)的数据存储装置(图1，107)中的主动电力管理(APM)固件(图1，108)来调节(块502)被分配到电子装置(图1，106)的某些负载的电力。在一个示例中，APM固件可以是由惠普公司开发和配销的用于优化的电力管理的任何固件。
APM固件控制由某些负载在要求时或其组合消耗的电力，给定未由电子装置(图1，106)中的APM控制的其它负载的值。被包括在由电流监测器电路(200、300、400)进行的PS负载测量中的这些其它负载可以是可表征和不可表征的负载的组合。
该方法还可包括使用ADC(图1，105)对由电流监测器电路(200、300、400)输出的电压进行采样，如在本文所述的。使用ADC(图1，105)对由电流监测器电路(200、300、400)输出的电压进行采样可包括在一个示例中以大约每10毫秒(ms)一次的采样率进行采样。然而，可基于系统和电子装置(图1，106)的性能特性来选择任何采样率。
图6是描绘根据本文所述的原理的另一示例的用于监测PS(图1，102)的电流负载的方法的流程图。图6的方法可首先以安培(A)为单位计算(块601)PS负载电流，且以瓦(W)为单位计算(块602)PS负载。以安培为单位的在PS处的负载(PSLoad(A))可以如在方程2中提供的被表示，并在下面如下再次被再现：
Figure BDA0002035377210000121
在块602中，可以以瓦(W)为单位计算PS功率。除非用ADC(图1，105)准确地测量正电源(PS V+)，否则可使用标称电源(PS)输出(Vsupply)，例如32V。以瓦为单位的PS负载(PSLoad(W))如下：
PSLoad(W)＝VSupply*PSLoad(A) 方程3
注意，对于在这个计算中的Vsupply的值，ADC(图1，105)可能能够为了更好的准确度而测量正电源电压(PS V+)，而不是使用它的规定标称值。
方程3的所计算的PS功率可被报告给APM固件(图1，108)作为系统PS负载功率的当前值。与电流监测器电路(200、300、400)相关联的APM固件(图1，108)将PS负载的这个所测量的值传递到与电子装置(图1，106)相关联的处理装置。APM固件(图1，108)使用这个值来调节由当前应用和电力客户端(例如在充当电子装置(图1，106)的打印装置内的打印元件)要求的额外系统功率，以便防止或减小额外的电源温度并防止或减少使存在于PS(图1，102)中的电源过电流保护(OCP)特征跳闸。
图7是根据本文所述的原理的一个示例的扩展电流监测器电路(700)的图。再次，在图1到图4中包括的并关于图1到图4所述的类似地编号的元件标示在图7的电流监测器电路(700)内的类似元件。关于图7的扩展电流监测器电路(700)，电子装置(图1，106)可包括多个单输出电源和具有例如由来自DC电源(PS)(102)的输出1(701)、输出2(702)和输出3(703)表示的多个输出的电源。这些输出可连接到多个单独的电流监测器电路(706-1、706-2、706-3)。虽然在图7中描绘了三个电源输出(702、703、704)和三个电流监测器电路(706-1、706-2、706-3)，但可包括任何数量的电源输出(702、703、704)和电流监测器电路(706-1、706-2、706-3)。此外，电流监测器电路(706-1、706-2、706-3)每个可以是图1到图4的电流监测器电路(100、200、300、400)中的任一个。
打印装置可使用多个输出电源(701、702、703)，其中所有输出电源可以在输出电压、额定功率或其组合方面不同。多个输出电源(701、702、703)中的每个也可经历它们用于给如由图1到图4的电流监测器电路(100、200、300、400)测量的不可预测的可变负载供电的情况。因此，从电流监测器电路(706-1、706-2、706-3)中的每个得到的各种增益(704-1、704-2、704-3)可被引导到复用器(MUX)(705)。
在一个示例中，MUX(705)是4线到1线模拟复用器。复用器(MUX)(705)可包括多个引脚，包括例如多个可选择的输入引脚(S1、S2、S3、S4)、多个输出引脚(D)、操作MUX(705)的多个使能输入(EN)、控制MUX(705)的多个控制输入(C1、C2)、其它引脚和输入及输出、或其组合。在4线到1线复用器的示例中，模拟MUX(705)的真值表可以如下：
Figure BDA0002035377210000131
Figure BDA0002035377210000141
表1：4线到1线模拟复用器的真值表
当使能输入(EN)被设置到逻辑1时，在C1和C2控制输入上的控制逻辑信号确定模拟输入(S1、S2、S3、SN)中的哪个被选择或连接到输出D。在表1中的“X”指“随意”输入逻辑条件。MUX(705)的选定输入被发送到ADC(图1，105)，如由指示信号到ADC(105)的输出的点的“B”指定的。以这种方式，包括具有多个输出电源(701、702、703)和电流监测器电路(706-1、706-2、706-3)的扩展电流监测器电路(700)的电子装置(图1，106)允许电子装置(图1，106)操纵具有不同的输出电压和额定功率的多个电源，其给不可预测的可变负载供电。
在本文参考根据本文所述的原理的示例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图图示和/或方框图描述了本系统和方法的方面。流程图图示和方框图的每个块以及在流程图图示和方框图中的块的组合可由计算机可用程序代码实现。计算机可用程序代码可被提供到通用计算机、专用计算机的处理器或其它可编程数据处理设备以产生机器，使得计算机可用程序代码当经由例如电子装置(图1，106)的处理装置或其它可编程数据处理设备执行时实现如在一个或多个流程图和/或方框图块中规定的功能或行动。在一个示例中，计算机可用程序代码可体现在计算机可读存储介质内；计算机可读存储介质是计算机程序产品的一部分。在一个示例中，计算机可读存储介质是非暂时性计算机可读介质。
说明书和附图描述电流监测器电路，其包括耦合到直流(DC)电源以感测电流信号的感测电阻器、耦合到感测电阻器以感测感测电阻器两端产生的电压的运算放大器(op-amp)以及耦合到op-amp和模数转换器(ADC)的低通滤波器。低通滤波器减少由于带外信号成分而引起的混叠。电流监测器电路耦合到ADC以提供电源负载电流的实时测量作为对主动电力管理(APM)固件的输入。
电流监测器电路提供实际PS负载的测量而不是使用最坏情况表征或估计或使用在相关联的电子装置内的各种电路负载电流的模型。主动电力管理(APM)固件(图1，108)可以从PS可靠地得到更多有用的功率，因为没有关于所有可变的不可表征的负载例如电池充电、通用串行总线(USB)负载、硬盘驱动负载和音频功率放大器负载当在它们的最大功率水平处操作时做出的假设。此外，未针对负载因子例如老化、磨损和撕裂、温度和部件容差上的未知增加执行维持裕度。这允许电子设备例如打印机在打印速率或功耗由于PS热原因而减小之前例如打印更长时间。电流监测器电路及其相关联的ADC和数字控制系统可以以最低成本实时地测量PS负载，最低成本容易由在使用为较低输出功率指定的PS时的大得多的节省偏移。建模、编码和验证由可变负载例如显示器、电机、打印头、数据驱动器和其它电力负载实时地消耗的功率的非经常性工程(NRE)费用和劳动力被减少或消除。
此外，在电子装置可容忍时间延迟的产品功能和/或减少的吞吐量的场合，由于系统负载的实时的有成本效益的监测，电流监测器电路允许电子装置的控制器使用较接近它的额定限制的较小的较低成本PS来可靠和有效地操作。此外，节省对电流监测器电路以较高计划水平出现。用于表征、归档、公式化地确定和验证电子装置的负载的努力和成本较少。NRE节省可转换成每单元相当大的净摊销NRE节省，特别是对于较低体积的产品。
提供了前述描述以说明和描述所述原理的示例。这个描述并不意在无遗漏的或将这些原理限制到所公开的任何精确形式。按照上面的教导，很多修改和变化是可能的。

Claims (16)

1.一种电流监测器电路，包括：
感测电阻器，耦合到直流DC电源以感测电流信号；
运算放大器op-amp，耦合到所述感测电阻器以感测所述感测电阻器两端产生的电压；以及
低通滤波器，耦合到所述op-amp和模数转换器ADC，所述低通滤波器减少由于带外信号成分而引起的混叠，
其中所述电流监测器电路耦合到所述ADC以提供电源负载电流的实时测量。
2.如权利要求1所述的电流监测器电路，还包括用于减少由所述ADC的输入端处的泄漏电流引起的偏移误差的单位增益缓冲器、耦合到所述电流监测器电路的复用器或其组合。
3.如权利要求1所述的电流监测器电路，还包括齐纳二极管，所述齐纳二极管用于减小所述电源电压以满足所述op-amp的额定最大电压。
4.如权利要求1所述的电流监测器电路，其中所述op-amp的输出被设计选择为流经所述感测电阻器的所述电源负载电流的成比例地缩放的因子。
5.如权利要求1所述的电流监测器电路，还包括自动电源关闭电路，所述自动电源关闭电路包括：
齐纳二极管，耦合到所述op-amp的所述电源输入，
其中当供电电压从在第一操作模式下的值改变到在第二操作模式下的较低值时，所述齐纳二极管减小由电子装置中的所述电流监测器电路消耗的功率。
6.如权利要求1所述的电流监测器电路，其中所述电流监测电路支持ADC采样率以实时地跟踪所述电源负载电流。
7.如权利要求1所述的电流监测器电路，还包括耦合在所述感测电阻器和所述op-amp的正端子之间的分压器，以提供正偏移来补偿在所述op-amp和ADC内的偏移。
8.一种监测电流负载的系统，包括：
直流DC电源，用于向电子装置供应电力；
电流监测器电路，包括：
感测电阻器，耦合到直流DC电源以感测电流信号；
运算放大器op-amp，耦合到所述感测电阻器以感测所述感测电阻器两端产生的电压；以及
低通滤波器，耦合到所述op-amp和模数转换器ADC，所述低通滤波器去除由于带外信号成分而引起的混叠，并且
其中所述电流监测器电路：
基于所述电流监测器电路的输出来计算电源负载；并且
基于所述电源负载来调节通过所述电子装置分配的电力。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述电流监测器电路还包括自动电源关闭电路，所述自动电源关闭电路包括：
齐纳二极管，耦合到所述op-amp的反相输入端，
其中当供电电压从在第一操作模式下的值改变到在第二操作模式下的较低值时，所述齐纳二极管减小由电子装置中的所述电流监测器电路消耗的功率。
10.如权利要求8所述的系统，其中所述电流监测器电路还包括单位增益缓冲器以减小在所述ADC的输入端内的泄漏电流。
11.如权利要求8所述的系统，其中所述电流监测器电路耦合到所述ADC以提供电源负载电流的实时测量作为输入。
12.一种非暂时性计算机可读存储介质，存储有计算机可用程序代码，所述计算机可用程序代码利用所述非暂时性计算机可读存储介质实现以监测电源的电流负载，所述计算机可用程序代码当由处理器执行时用于：
基于电流监测器电路的输出来计算电源负载，所述电流监测器电路包括：
感测电阻器，耦合到直流DC电源以感测电流信号；
至少一个运算放大器op-amp，耦合到所述感测电阻器以感测所述感测电阻器两端产生的电压；以及
低通滤波器，耦合到所述op-amp和模数转换器ADC，所述低通滤波器去除由于带外信号成分而引起的混叠，并且
基于所述电源负载来调节通过电子装置分配的电力。
13.如权利要求12所述的非暂时性计算机可读存储介质，其中所述电流监测器电路还包括用于减少由所述ADC处的泄漏电流引起的偏移误差的缓冲器op-amp、耦合到所述电流监测器电路的复用器或其组合，其中所述缓冲器op-amp的输出端耦合到所述ADC、所述复用器或其组合。
14.如权利要求12所述的非暂时性计算机可读存储介质，其中基于所述电源负载来调节通过所述电子装置分配的电力包括：使用主动电力管理APM以及调节所述电流监测器电路耦合到的所述电子装置的多个子系统的可表征和不可表征的负载以利用所述电源的负载容量。
15.如权利要求12所述的非暂时性计算机可读存储介质，还存储有计算机可用程序代码，所述计算机可用程序代码当由所述处理器执行时使用所述ADC来以足以实时地跟踪所述电源负载的采样率对由所述电流监测器电路输出的电压进行采样。
16.如权利要求15所述的非暂时性计算机可读存储介质，其中所述采样率为每10毫秒至少一次。
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