Многие электронные схемы с батарейным питанием используют один датчик тока или специальную микросхему мониторинга для контроля энергопотребления, оценки состояния заряда элементов, а также упрощают процесс контроля износа на стороне программного обеспечения.
Многоканальные мониторы мощности позволяют экономить до 38% электроэнергии по сравнению с одноканальными датчиками, то есть их энергопотребление, необходимое для осуществления процесса мониторинга, значительно ниже. Кроме того, контролируемый микропроцессором процесс управления питанием можно перевести в спящий режим, освобождая CPU от работы и оставляя больше ресурсов для других действий.
Для обозначения этой категории схем используется несколько различных терминов. Иногда их называют датчиками тока на стороне высокого напряжения, иногда просто «датчиками тока», а в других местах – микросхемами контроля мощности. Микросхемы, описанные в этом материале, имеют цифровой интерфейс, их входы (измерительные контакты) могут быть подключены непосредственно к шинам питания выше 5 В и будут измерять ток, напряжение и мощность с помощью чувствительного резистора. Возможность контроля параметров в цепях с более высоким напряжением является существенным преимуществом этих систем мониторинга. Некоторые работают до 100 В, в то время как другие не допускают более 32 В. Следовательно, они помогают избежать добавления внешних переключателей, необходимых для устройств с высоким напряжением.
Чипы этого типа производятся компаниями ADI (Maxim, LT), TI, Renesas (Intersil) и Microchip. Maxim описывает их как датчики тока с цифровыми выходами, ADI называет мониторы мощности. А TI, и Microchip определяют эти микросхемы мониторами тока/напряжения/мощности.
Процессоры и аналоговые датчики тока
Теперь, когда понятно о каком типе чипов говорим, давайте посмотрим на что они способны и как сэкономить энергию. Когда процессор (микроконтроллер), управляющий устройством, имеет встроенный АЦП, использование его для измерения с помощью шунтирующего резистора или другого аналогового датчика тока, расположенного в другом месте на печатной плате означает, что ему придется часто проводить измерения. Если схема питается только от 5 В, простые операционные усилители и шунтирующие резисторы могут обеспечить достаточную аппаратную платформу этого типа, но необходимо реализовать периодический опрос, чтобы уменьшить мощность используемую для мониторинга.
Это будет работать, но все равно не решит проблему контроля мощности в критических точках, требующих более сложного подхода, например измерить и оптимизировать энергоэффективность или определить оставшийся срок службы батареи. В обоих случаях периодический опрос датчика тока хост-процессором на основе прерываний означает неточность измерений. А увеличение повторения показаний ведет за собой растрату энергии. Поэтому в таких устройствах почти всегда производятся замеры так, чтобы можно было наблюдать нехватку «всегда работающего» хост-процессора.
Еще одним недостатком многих вариантов использования ЦП является необходимость в компонентах защиты если они должны быть подключены к шинам питания выше 5 В. Когда напряжение выше, необходимо использовать датчики тока на стороне высокого напряжения. Такие датчики (аналоговые) выпускаются на напряжение более 100 В, они могут подключаться напрямую к шине без необходимости использования внешних элементов защиты и определять мгновенный ток и потребляемую мощность.
Поскольку основная тема – многоканальные мониторы, то следует отметить что аналоговые датчики тока выпускаются и в многоканальном исполнении, но потребляемая мощность такого монитора – это просто потребляемая мощность одного датчика (канала) умноженная на количество каналов. То есть одноканальный аналоговый датчик тока, такой как INA290, имеет максимальный ток покоя 600 мкА, а двухканальный вариант того же семейства INA2290 – ток покоя 1200 мкА при тех же условиях эксплуатации.
Эти проблемы привлекают внимание к специализированным чипам для контроля питания. Суть в том, что они рассчитывают энергопотребление на кристалле независимо от хост-контроллера. Они по-прежнему используют тот же принцип измерения, что и решения с аналоговым шунтом, но имеют встроенный АЦП и умножитель для цифрового представления мощности. Этот результат выдается цифровым интерфейсом в виде состояния регистра. В результате такой подход:
- экономит затраты на разработку программного обеспечения, сокращает время разработки и снижает сложность кода, связанного с процессом мониторинга одного или нескольких датчиков,
- экономит процессорное время и обеспечивает более длительное время ожидания.
- такой монитор питания уменьшает количество необходимых выводов на микроконтроллере. Многие датчики общего назначения используют общие интерфейсы, так что их коммуникационные шины могут использоваться совместно с дополнительными схемами, такими как датчики температуры, память и т. д. Этого нельзя сказать о многих аналоговых датчиках тока, которые требуют выделения только своих контактов. Это также означает, что для общего использования доступно больше линий GPIO.
- встроенные мониторы энергопотребления экономят энергию, позволяя схеме ожидать оповещения, а не постоянно снимать показания. Во время ожидания хост может оставаться в более низком спящем или ждущем состоянии и экономить энергию, не влияя на качество измерения.
Низкая мощность в многоканальных мониторах
Что отличает многоканальные системы мониторинга мощности от одноканальных, так это возможность создавать сценарии выборки и создания отчетов в циклическом режиме, что позволяет снизить мощность системы. Большинство производителей таких чипов используют схожие архитектуры, поэтому описание PAC1954 от Microchip можно считать универсальным.
Микросхема PAC1954 имеет только один АЦП для измерения напряжения (Vsense), так как вход мультиплексируется для измерения на четырех шунтирующих резисторах. В результате для этой архитектуры требуется меньше энергии покоя, чем для четырех отдельных датчиков.
Например, если сравним максимальный ток покоя, потребляемый типичным четырехканальным датчиком тока, с высококачественным одноканальным монитором мощности, то увидим преимущество использования одного АЦП в четырехканальной схеме. Он потребляет максимум 450 мкА при 85°C для четырех измерительных каналов с 16-битным разрешением.
Одноканальная версия потребляет максимум 400 мкА при 16-битном разрешении, что составляет 1600 мкА для 4 датчиков. Новейший 2-х канальный PAC1952 компании Microchip имеет максимальный ток покоя 495 мкА. Конкурирующие решения потребляют 800 мкА, поэтому эта схема экономит 1-(495/800) = 38% при измерении мощности.
Таким образом многоканальные чипы контроля мощности обеспечивают:
- экономию затрат и времени связанных с программным обеспечением и сложностью,
- позволяют выполнять измерения когда процессор находится в режиме ожидания,
- меньше контактов необходимых для поддержки мониторинга ЦП.
