česky english Vítejte, dnes je pondělí 17. červen 2024

Ve sledování většího počtu proudových úrovní si udělejte jasno

DPS 3/2023 | Články
Autor: Mitch Polonsky | Microchip Technology
01.jpg

V bateriově napájených systémech, které používají více než jeden proudový senzor nebo obvod pro monitorování výkonu dokážou vícekanálové monitory výkonu pomoci vývojářům při snižování spotřeby energie, včetně složitosti kódu. V článku si konkrétně ukážeme, jak díky volbě vícekanálové součástky při měření výkonově ušetřit 38 procent, nebo ještě více, budeme-li porovnávat s opakovaným použitím jednokanálového prvku. Pokud navíc nemusí na vše okolo sledování spotřeby dohlížet host procesor, lze pracovat s režimem spánku a pro další aktivity vyšetřit i více výpočetního výkonu.

Na začátku se bohužel nevyhneme terminologii. Ke zmíněné kategorii součástek se váže několik různých označení. Někteří je budou znát jako proudové senzory na vyšší straně napájení (high-side), senzory proudu nebo též integrované obvody pro monitorování výkonu. Součástky, o kterých zde hovoříme, mají číslicové rozhraní, jejich vstupy lze rovnou připojit k napěťovým hladinám přes pět voltů a s využitím snímacího rezistoru pak budou měřit proud, napětí či výkon. Základní výhoda takových obvodů pro sledování výkonu ale spočívá ve schopnosti pracovat s vyšším napětím. Některé z nich zvládají dokonce i 100 V, zatímco jiné prvky středního rozsahu akceptují napětí pouze do 32 V. S takto navrženými součástkami se proto můžeme vyhnout vnějším prvkům, bez kterých se aplikace s vyšším napětím jinak neobejdou.

Vysvětlit činnost zmíněné kategorie obvodů nám pomůže zjednodušený diagram na obr. 1. ADI (Maxim, LT), TI, Renesas (Intersil) a také Microchip – ti všichni mají v nabídce obvody takového druhu. V případě Maximu jsou obvody známé jako senzory proudu s digitálními výstupy. Z webových stránek ADI však zase plyne označení monitory výkonu. Shodná terminologie pak bude spojená i s produkty obou firem, TI a také Microchip, které zde používají označení monitory proudu/napětí/výkonu.


Obr. 1 K principu činnosti obvodu

Host procesory a analogové senzory proudu

Když už tedy máme za sebou pojmenování, pojďme se zaměřit na kladné stránky zmíněných obvodů, včetně způsobu, jak lze snížit odběr na základě verzí s větším počtem kanálů. Začnemeli s host procesorem vybaveným vlastními A/D převodníky, bude host nepřetržitě napájen, aby dokázal měřit s proudovým senzorem umístěným jinde na desce. Pokud v systému pracujeme pouze s nižším napájením 5 V, budou k měření příslušného výkonu stačit jen obyčejné operační zesilovače a rezistory. Abychom snížili spotřebu systému spojenou s monitorováním, můžeme využívat periodické výzvy. To však neřeší otázku klíčových napájecích hladin, jež vyžadují aktivnější řízení, které může být na místě, když měříme a optimalizujeme účinnost nebo chceme zjistit zbývající kapacitu baterie. Pokud ale máme za účelem přerušení k dispozici nezávislý snímač proudu s limity, může host procesor každopádně setrvat v nízkopříkonovém stavu mnohem déle. Nedostatek spojený s trvale aktivními host procesory lze pozorovat v aplikacích s klíčovým požadavkem na monitorování úrovní.

Další vadou na kráse je pro spoustu host procesorů nutnost ochranných prvků, budou-li připojeny k vyšším úrovním napětí nad 5 V, což nás přivádí k výhodám spojeným s proudovými snímači na vyšší straně napájení. Uvažujme nyní čistě analogový senzor proudu na vyšší straně napájení. Taková proudová čidla jsou k dispozici pro souhlasná napětí dosahující i 100 V. Lze je tedy připojit přímo k vyššímu napětí a vyhnout se přitom potřebě vnějších ochranných prvků. Součástky kromě toho stále zajišťují signály host kontroléru, které reprezentují proud a také výkon v rámci systému.

My však ve skutečnosti hovoříme o sledování výkonu s větším počtem kanálů, a proto je dobré zmínit, že v takovém vícenásobném provedení dostáváme i analogová čidla proudu. Výkonová spotřeba aktivních analogových senzorů proudu zde obvykle odpovídá odběru jedné součástky násobenému počtem kanálů. Chceme tím říct, že jednokanálové analogové čidlo proudu, jako je třeba INA290, bude mít maximální klidovou spotřebu 600 μA, kdežto duální provedení ve stejné rodině, obvod INA2290, má za stejných pracovních podmínek klidový odběr 1 200 μA.

Integrované obvody pro monitorování výkonu

Tím se již postupně dostáváme k tématu integrovaných obvodů pro sledování výkonu, tedy součástkám pracujícím se smíšenými signály. Ukážeme si nyní způsoby, kdy takové monitorovací obvody nabídnou více než systém, který jinak vyžaduje trvale aktivní host kontrolér společně s analogovými senzory proudu.

Monitory výkonu v prvé řadě počítají výkonovou spotřebu na čipu, nezávisle na host kontroléru. Stále zde využívají stejných metod, pokud jde o analogový zesilovač pro snímání proudu, zatímco jdou následně ještě dále díky integrovanému A/D převodníku a násobičce s cílem vyjádřit výkon v číslicové podobě. Digitální hodnota pak může být k dispozici z registru přes číslicové rozhraní a odsud je také příslušný výpočet výkonu k mání. U systémového host procesoru tedy ve výsledku:

  • ušetříme z pohledu softwaru a jeho režie, doby potřebné k vývoji a také složitosti kódu spojeného s monitorováním jednoho nebo i více analogových senzorů proudu,
  • zkrátíme dobu strávenou v aktivním režimu, zatímco snímač shromažďuje data.

Druhá související výhoda při monitorování výkonu znamená menší požadavky kladené na vývody, pokud jde o host systém, a to díky sdílené komunikační sběrnici. Spousta univerzálních snímačů využívá sdílených rozhraní, takže lze takové sběrnice sdílet s dalšími obvody pro monitorování výkonu, s teplotními čidly, pamětí apod. Totéž ale nelze říct u většího počtu analogových senzorů proudu, které pak na straně host systému vyžadují dodatečné vývody. Rovněž to obnáší více GPIO pro univerzální využití.

A konečně za třetí, obvody sloužící ke sledování výkonu snižují spotřebu host systému, když mu umožňují vyčkávat na hlášení, spíše než aby se sám dožadoval údajů. Během čekací periody si pak může host systém zvolit setrvání v nízkopříkonovém režimu spánku či standby a prodloužit přitom výdrž baterie, zatímco naše monitory dohlíží na klíčové hladiny napětí a příp. změnu výkonu.

Menší spotřeba díky monitorům výkonu s více kanály

A je to tady – vícekanálové obvody pro monitorování výkonu. Na trhu je několik firem, které mají v této kategorii co nabídnout, včetně Microchipu. To, co zmíněné vícekanálové monitory výkonu odlišuje od součástek s jedním kanálem, je schopnost vytvořit společnou architekturu pro vzorkování a reportování, která umožňuje snížit spotřebu systému. Většina firem to řeší podobně. My se dále přidržíme architektury firmy Microchip v obvodech PAC1954.

Stojí za zmínku, že obvod PAC1954 používá k měření VSENSE jediný A/D převodník. Tento jeden funkční blok je multiplexován tak, aby změřil a dále reportoval napětí VSENSE ze čtyř snímacích rezistorů v systému. Architektura bude proto vykazovat menší klidovou spotřebu než v případě čtyř samostatných proudových snímačů.


Obr. 2 Blokový diagram obvodů PAC195x-1

Pokud např. srovnáme maximální klidový odběr konkurenčního proudového senzoru se čtyřmi kanály s vysoce kvalitním jednokanálovým obvodem pro monitorování výkonu, zjistíme základní výhodu při použití jednoho A/D převodníku pro čtyřkanálový obvod. Konkurenční součástka odebírá max. 450 μA při +85 °C a pro čtyři kanály měření s rozlišením 16 bitů. Monitor výkonu spotřebuje max. 400 μA pro 16bitové rozlišení a pouze jeden kanál měření nebo 1 600 μA. Stejný výpočet nyní provedeme u nejnovější součástky od firmy Microchip. Tady vezmeme jen duální provedení obvodu pro sledování výkonu PAC1952 s maximální klidovou spotřebou 495 μA při +125 °C. V porovnání s konkurenčními obvody a jejich 800 μA zde obdržíme systémové úspory, pokud jde o měření výkonu, 1 – (495/800) = 38 %.

Závěr

K použití vícekanálových integrovaných obvodů pro monitorování výkonu existuje mnoho důvodů:

  • ušetříme na straně softwaru a související režie, doby strávené vývojem a také z pohledu složitosti kódu,
  • zkrátí se doba strávená v aktivním režimu, zatímco senzor shromažďuje data,
  • snižuje se počet vývodů na host procesoru, příp. se uvolní pro více GPIO,
  • snižuje se spotřeba host systému díky hlášením a probouzení systému, spíše než aby se sám dotazoval na údaje o změně.

Ze všeho nejvíce zde ale máme měřitelné úspory energie spojené s použitím vícekanálových obvodů pro monitorování výkonu namísto stejného řešení s jediným kanálem. Jak jsme si ukázali na příkladu několika součástek od různých výrobců, architektura založená na sdíleném A/D převodníku znamená z pohledu spotřeby a při sledování výkonu v případě hladin systémového napětí úsporu až 38 %.