Измерение мощности в режиме реального времени с помощью ИС регистратора потребляемой мощности

19 февраля

учёт ресурсовуправление питаниемпотребительская электроникаMaxim Integratedстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы

Одной из важнейших функций обеспечения работы системы управления питанием является измерение среднего значения потребляемой мощности критичных участков цепи питания в режиме реального времени. Микросхемы регистраторов производства Maxim Integrated имеют встроенную функцию накопления измеренных значений мощности и предоставляют на выходе данные, пригодные для вычисления ее среднего значения.

Отличным решением для измерения средней мощности являются регистраторы потребляемой мощности (Power Accumulators). В импульсных преобразователях контроль КПД позволяет оценивать его изменения во времени и при различных условиях эксплуатации. Можно контролировать сразу несколько цепей и отслеживать работу микросхем управления питанием (Power Management Integrated Circuits, PMIC) в компактных системах, где питание осуществляется от батарейки. Использование регистраторов потребляемой мощности также ускоряет создание прототипов благодаря возможности контроля работы разных цепей в системе на этапе разработки, что в дальнейшем позволяет улучшить конструкцию системы. В данной статье будут рассмотрены различные примеры использования регистраторов для проведения критичных измерений мощности в режиме реального времени.

Измерение мощности, потребляемой критичными цепями системы, необходимо при удаленном мониторинге ее жизненно важных функций. Данные о потреблении в режиме реального времени позволяют своевременно оптимизировать работу системы, чтобы продлить срок службы батарейки. В системах, где постоянно контролируется пиковая мощность, часто используются мониторы питания, которые измеряют мгновенные значения тока и напряжения на шине. Однако определение среднего значения мощности требует более серьезных вычислений, поскольку сперва необходимо накопить мгновенные значения за определенный интервал времени, а затем посчитать среднюю мощность. При использовании мониторов питания требуется дополнительная обработка данных, что проблематично реализовать в системах с ограниченными вычислительными возможностями. Поэтому обычные мониторы питания не подходят для измерения средних значений мощности. Предлагаемые микросхемы регистраторов уже имеют встроенную функцию накопления измеренных значений мощности и предоставляют на выходе данные, пригодные для простого вычисления средней мощности.

Принцип работы регистраторов потребляемой мощности

Для накопления значений мощности микросхемы регистраторов измеряют значения напряжения и тока, перемножают их и складывают с предыдущими результатами. Кроме суммы значений мощности (интеграла мощности) в микросхеме хранится количество произведенных измерений. На рисунке 1 изображена блок-схема микросхемы MAX34407, на которой наглядно показан этот процесс.

Рис. 1. Блок-схема микросхемы регистратора потребляемой мощности MAX34407

Рис. 1. Блок-схема микросхемы регистратора потребляемой мощности MAX34407

Используя мультиплексор, токоизмерительный усилитель (усилитель типа current-sense) и 12-битный АЦП, микросхема MAX34407 автоматически собирает значения тока и напряжения с четырех каналов. Эти выборки перемножаются внутри микросхемы для получения 28-битного значения мощности. Полученные значения суммируются и записываются в 48-битный регистр, а количество измерений сохраняется в 24-битном регистре. Микросхема MAX34407 не требует внешнего тактирования: внутри работает автоматический переключатель и встроенный генератор, которые делают ее полностью автономной.

По команде от контроллера микросхема передает накопленную мощность и значение счетчика по шинам I2C/SMBus в регистры, доступные хосту. Хост может извлечь данные в любой промежуток времени, при этом передача происходит без остановки измерений. В нормальном режиме частота дискретизации MAX34407 составляет 1024 (210) выборок/с. Поскольку размер регистра для записи значений мощности ограничен 48 битами, а размер регистра для отдельных значений мощности равен 28 битам, то перед тем как хост-контроллер считает все данные, можно сохранить до 220 значений (формула 1):

$$t_{полн}=\frac{2^{20}\:выб.}{2^{10}\:выб./с}=17.06\:мин.\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Хост, получая накопленные данные о количестве измерений и их значениях, может сразу вычислить среднюю мощность, то есть не тратит ресурсы на сбор данных и может использовать их для выполнения других задач.

Для расчета средней мощности следует использовать следующие параметры и формулы 2…5, где Pacc – значение накопленной мощности, COUNT – значения счетчика измерений, полученные от микросхемы MAX34407.

Параметры микросхемы MAX34407:

  • полный диапазон измерения напряжений, VFS = 16 В;
  • полный диапазон измерения напряжения на шунте, VSENSE = 100 мВ;
  • максимальная длина значения накопленной мощности – 28 бит.

Масштабирующие показатели:

  • полный диапазон тока (формула 2):

$$I_{FS}=\frac{V_{SENSE}}{R_{SENSE}}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

  • полный диапазон значений мощности (формула 3):

$$P_{SCALE}=V_{FS}\times I_{FS}\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

  • младший значащий разряд мощности (формула 4):

$$P_{LSB}=\frac{P_{SCALE}}{2^{28}}\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

  • вычисление средней мощности (формула 5):

$$P_{AVG}=\frac{P_{ACC}\times P_{LSB}}{COUNT}\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

Выше приведен пример расчета средней мощности при использовании MAX34407. При выборе других регистраторов потребляемой мощности необходимо учитывать их особенности, так как каждая микросхема имеет свои параметры и режимы работы.

Измерение КПД с помощью одной микросхемы

КПД является важнейшей характеристикой для любого силового преобразователя. После завершения разработки доступ к измерению КПД преобразователя в режиме реального времени теряется. С течением времени и в различных условиях эксплуатации КПД может меняться в зависимости от дрейфа параметров, изменения нагрузки, температуры и влажности. Используя регистратор потребляемой мощности, который можно подключить сразу к нескольким цепям напряжения, появляется возможность с помощью всего одной микросхемы контролировать КПД в режиме реального времени.

Измеряя мощность на входе PIN и на выходе преобразователя POUT, микросхема MAX34407 может отправлять полученные данные в микропроцессор для дальнейшего вычисления КПД по формуле 6:

$$\eta =\frac{P_{OUT}}{P_{IN}}\times 100\%\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

На рисунке 2 представлена типовая схема подключения регистратора мощности MAX34407 к понижающему преобразователю MAXM17504 для измерения его КПД. Примером применения такой схемы является солнечная панель на 12 В, в которой первичный преобразователь выполняет алгоритм отслеживания точки максимальной мощности (Maximum Power Point Tracking, MPPT). Так как контроль КПД в режиме реального времени обеспечивает обратную связь о выполнении алгоритма MPPT, то сам этот алгоритм можно оптимизировать, используя измерения внутри системы. Диапазон входного напряжения MAXM17504 составляет 12 В ±10%, что соответствует диапазону синфазного напряжения MAX34407 и составляет +2,7…+15 В. Полный диапазон токоизмерительного усилителя равен 100 мВ, поэтому на входе установлен резистор, ограничивающий максимальный ток до 2 А, а на выходе – резистор номиналом 25 мОм для ограничения выходного тока до 4 А.

Рис. 2. Схема измерения КПД

Рис. 2. Схема измерения КПД

На рисунке 3 показан альтернативный способ измерения КПД – с использованием четырех настольных цифровых мультиметров. Такой способ позволяет измерить токи и напряжения на входе и выходе и посчитать КПД с высокой точностью. Полученные значения КПД можно принять за эталон и сравнить их с результатами измерения микросхемой регистратора для проверки ее точности. Сравнение графиков КПД, полученных с помощью MAX34407 и четырех мультиметров, представлено на рисунке 4.

Рис. 3. Измерение КПД с помощью мультиметров

Рис. 3. Измерение КПД с помощью мультиметров

Рис. 4. Значения КПД, полученные с использованием MAX34407 (желтая кривая) и с использованием четырех мультиметров (оранжевая кривая)

Рис. 4. Значения КПД, полученные с использованием MAX34407 (желтая кривая) и с использованием четырех мультиметров (красная кривая)

Причиной заметного отклонения значений микросхемы MAX34407 является мощность, которая рассеивается на выходном измерительном шунте. MAX34407 измеряет синфазное напряжение относительно вывода шунта с меньшим потенциалом, поэтому эта рассеиваемая мощность включена в значение мощности, измеренной на входе, но не на выходе. Ошибку измерений можно компенсировать, если рассчитать мощность рассеивания на шунте и добавить ее к общей выходной мощности. Ниже приведены формулы 7 и 8 для расчета, где POUT и VOUT – выходные мощность и напряжение, измеренные микросхемой MAX34407, а RSENSE – сопротивление шунта:

$$P_{SENSE}=\left(\frac{P_{OUT}}{V_{OUT}} \right)^2 \times R_{SENSE}\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$

$$\eta_{COMP} =\frac{P_{OUT}+P_{SENSE}}{P_{IN}}\times 100\%\qquad{\mathrm{(}}{8}{\mathrm{)}}$$

На рисунке 5 показаны результаты измерения КПД с учетом добавленной расчетной мощности.

Рис. 5. Значения КПД, полученные с использованием MAX34407 (синяя кривая) с учетом мощности рассеивания на шунте и с использованием четырех мультиметров (оранжевая кривая)

Рис. 5. Значения КПД, полученные с использованием MAX34407 (синяя кривая) с учетом мощности рассеивания на шунте и с использованием четырех мультиметров (красная кривая)

Из результатов, показанных на рисунке 5, видно, что максимальная разница между измерениями с помощью двух методов составляет 0,5%. Это значит, что при соответствующей коррекции выходной мощности микросхема MAX34407 может применяться для измерения КПД импульсного преобразователя с высокой точностью. Необходимо также учесть, что данный метод коррекции лучше всего подходит для преобразователей с пульсациями напряжения не более 1%.

Контроль потребления при использовании микросхемы PMIC

Для увеличения срока работы устройства от батарейки важно контролировать цепи питания микросхемы PMIC и оценивать производительность системы питания. Диагностика с помощью регистратора потребляемой мощности позволяет определить, какие узлы устройства потребляют наибольшую мощность. Эти данные микроконтроллер может использовать для настройки функционирования узлов системы.

На рисунке 6 изображена типичная схема контроля мощности PMIC с используемым регистратором потребляемой мощности MAX34407 и микросхемы PMIC MAX77650. MAX77650 имеет преобразователь с одной катушкой и тремя понижающе-повышающими выходами (по архитектуре Single Inductor Multiple Output, SIMO). Также внутри микросхемы имеется аналоговый мультиплексор (AMUX), который представляет данные о батарейке (BATT) или зарядке (CHGIN) в виде значений напряжения или тока. Подключив регистратор мощности MAX34407, можно контролировать цепи MAX77650 и обеспечивать обратную связь с центральным процессором.

Рис. 6. Контроль цепей питания PMIC

Рис. 6. Контроль цепей питания PMIC

Важный аспект применения

В системах с высоким энергопотреблением микросхемы PMIC с их ограниченными параметрами мощности неприменимы. В таких системах устанавливают несколько преобразователей для питания критичных нагрузок. Контролируя мощность микросхемой регистратора, можно оптимально распределить нагрузки и повысить КПД всей системы. Типовая схема подключения регистратора мощности в таких системах изображена на рисунке 7, где MAX34407 используется с целью контроля цепей с наибольшим потреблением, включая цепь входного питания. Это позволяет оценивать КПД всей системы и защитить высоковольтные выходы. Отметим, что микросхема MAX34407 может размещаться удаленно от преобразователей при соответствующей защите сигналов от шумов (подробнее об этом сказано в разделе «Рекомендации по компоновке и фильтрации»).

Рис. 7. Контроль цепей питания

Рис. 7. Контроль цепей питания

Контроль мощности на этапе разработки

Ориентированность на короткие сроки разработки в условиях современного конкурентного рынка привела к потребности в быстрых и простых решениях. Многими разработчиками используются микроконтроллерные платформы ARM® Mbed®, Arduino™ и Raspberry Pi® для ускорения создания прототипов. Эти платформы легко усовершенствовать с помощью дополнительных мезонинных плат, значительно расширяющих их аппаратные возможности. Установка регистратора потребляемой мощности на мезонинной плате может быть полезным решением для быстрой оценки производительности прототипа.

С помощью такой мезонинной платы можно отслеживать потребление в системе на этапе разработки и оценивать КПД разрабатываемого программного обеспечения, датчиков или преобразователей, а также потребляемую мощность любого узла системы. Измерительные шунты и клеммы можно установить непосредственно на плату или в схему прототипа. В любом случае использование микросхемы регистратора позволит получать полезную информацию уже на этапе проектирования системы.

Рекомендации по компоновке и фильтрации

Когда речь идет об измерении сигнала, компоновка элементов в устройстве или системе играет решающее значение для минимизации ошибки измерения. С одной стороны, микросхему регистратора потребляемой мощности необходимо разместить максимально близко к импульсным преобразователям, с другой – при такой компоновке импульсные помехи будут пагубно влиять на измерения. Поэтому для уменьшения влияния шума крайне важна соответствующая трассировка сигналов. Если помехи неизбежны, на входы измерителя мощности следует установить фильтры синфазных и дифференциальных шумов. В подключении измерительного шунта по схеме Кельвина (рисунок 8) предполагается, что проводники измеряемых сигналов должны быть трассированы параллельно с минимальным расстоянием между ними, а их длина должна быть равной.

Рис. 8. Подключение измерительного шунта

Рис. 8. Подключение измерительного шунта

Микросхема MAX34407 работает в измерительной части системы, что делает ее чувствительной к синфазному шуму. Если в системе имеется значительный синфазный шум, следует использовать дополнительные фильтры. Для подавления синфазных помех последовательно с измерительными входами можно установить RC-фильтры. На рисунке 9 показан способ фильтрации с помощью двух одинаковых RC-фильтров, которые образуют фильтр нижних частот синфазных сигналов.

Рис. 9. Фильтр синфазных помех

Рис. 9. Фильтр синфазных помех

Так как резисторы установлены последовательно в линии измеряемого сигнала, они должны быть хорошо согласованы, чтобы исключить смещение при измерении мощности, поэтому величина погрешности резисторов должна составлять не более 1%. Кроме этого, необходимо убедиться, что значения сопротивления фильтрующих резисторов значительно меньше входного сопротивления регистратора потребляемой мощности. А частота среза фильтра должна быть гораздо ниже частоты Найквиста регистратора. Для ее вычисления применяется формула 9:

$$f_{P}=\frac{1}{2\pi RC}\qquad{\mathrm{(}}{9}{\mathrm{)}}$$

Входной ток источников питания довольно шумный по причине самой структуры источника и переключений внутри него. Таким образом, через измерительные шунты в микросхему регистратора потребляемой мощности наводятся дифференциальные помехи. На рисунке 10 показано, как можно ослабить эти помехи, используя дифференциальные фильтры.

Рис. 10. Фильтр дифференциальных помех

Рис. 10. Фильтр дифференциальных помех

Как и в случае фильтра синфазных помех, последовательные резисторы также должны быть хорошо согласованы, но их сопротивления должны значительно превышать входное сопротивление регистратора потребляемой мощности. Частота среза дифференциального фильтра также выбирается меньше частоты Найквиста регистратора. Два последовательных резистора и конденсатор образуют частоту среза для дифференциального сигнала между входами +IN1 и -IN1, которую можно вычислить по формуле 10:

$$f_{P}=\frac{1}{4\pi RC}\qquad{\mathrm{(}}{10}{\mathrm{)}}$$

Для внешнего подключении регистратора потребляемой мощности (за пределами платы) требуется витая пара. Это актуально при удаленном измерении мощности в таких устройствах как Mbed или плата расширения Arduino. Витая пара подключается к измерительному шунту и уменьшает наводки при передаче измеряемого сигнала за счет повышения степени связи линий этого сигнала. Кроме того, витая пара обеспечивает фильтрацию дифференциальных помех через индуктивную связь между проводами. Удаленное измерение мощности потребления и в других системах также требует использования витых пар.

Заключение

Использование регистратора потребляемой мощности полезно в системах, требующих оптимизацию КПД и защиты. В системах как с низкими, так и с высокими значениями энергопотребления есть необходимость в оценке потребляемой мощности в критичных цепях. Использование подходящего регистратора потребляемой мощности привлекательно тем, что исключает чрезмерную загрузку процессора, как это происходит при использовании обычных мониторов питания. Благодаря удаленной оценке узлов системы появляется возможность принимать решения, основываясь на характеристиках ее энергопотребления. 

Дополнительные материалы:

Статьи:

  1. Технология Maxim Integrated nanoPower: когда малый IQ имеет преимущества
  2. Контроль в спящем режиме: повышение КПД батарейного питания с помощью DC/DC MAX17225 nanoPower
  3. DC/DC-преобразователи: принципы работы и уникальные решения MaximIntegrated
  4. Один дроссель для всей системы: многоканальные преобразователи Maxim с технологиями SIMO и nanoPower
  5. Увеличение времени работы портативной электроники с помощью преобразователя на основе SIMO
  6. Борцы SIMO: особенности применения SIMO-преобразователей Maxim
  7. Выбор SIMO PMIC-преобразователя для проекта портативного устройства
  8. Увеличение энергоэффективности портативных устройств при помощи SIMO PMIC-преобразователей

Новости

  1. MAX17222 — длинная жизнь для маленьких вещей
  2. MAX38640/1/2/3 – понижающие конвертеры семейства NanoPower с ультранизким током потребления
  3. MAX17270 – преобразователь NanoPower SIMO PMIC для IoT с ультранизким потреблением

 

Оригинал статьи

Перевела Софья Букреева по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее

Товары
Наименование
MAX34407EWE+T (MAX)
MAX34407EVKIT# (MAX)
MAX34407EWE+ (MAX)
MAX77650AEWV+T (MAX)
MAX77650CEWV+T (MAX)
MAX77650EWV+T (MAX)
MAX77650BEWV+T (MAX)
MAX77650MEWV+T (MAX)
MAX77650EVKIT# (MAX)
MAX77650AEWV+ (MAX)
MAX77650CEWV+ (MAX)
MAX77650MEWV+ (MAX)
MAX77650BEWV+ (MAX)