Wielokanałowe monitory poboru mocy zapewniają oszczędności energetyczne

Wielokanałowy monitor zasilania pozwala zaoszczędzić nawet do 38% mocy w porównaniu z czujnikiem jednokanałowym, tj. ich zużycie energii niezbędnej do realizacji procesu monitorowania jest mniejsze. Ponadto proces kontroli mocy nadzorowany przez procesor można uśpić, odciążając jego pracę i pozostawiając więcej zasobów dla innych działań.

Na początku konieczne jest uporządkowanie nomenklatury. W odniesieniu do tej kategorii układów używa się kilku różnych terminów. Czasem są one określane jako czujniki prądu w szynie zasilającej (high-side), innym razem jako tylko "czujniki prądu", a jeszcze gdzie indziej jako układy scalone do monitorowania mocy. Układy opisywane w tym artykule mają interfejs cyfrowy, ich wejścia (końcówki pomiarowe) można podłączyć bezpośrednio do szyn zasilających powyżej 5 V i będą one mierzyć prąd, napięcie i moc z użyciem rezystora czujnikowego. Możliwość kontroli parametrów w obwodach o wyższych napięciach jest istotną zaletą tych układów monitorów. Niektóre pracują do 100 V, podczas gdy wiele tego typu produktów nie pozwala na więcej niż 32 V. Stąd pomagają uniknąć dodawania zewnętrznych przesuwników potrzebnych w zastosowaniach wysokonapięciowych.

Rysunek 1 przedstawia tę konfigurację. Układy tego typu produkują ADI (Maxim, LT), TI, Renesas (Intersil) i Microchip. Maxim określa je jako czujniki prądu z wyjściami cyfrowymi. Z kolei ADI nazywa monitorami mocy. Zarówno TI, jak i Microchip nazywają takie układy monitorami prądu/napięcia/ mocy.

 

Rys. 1. Schemat blokowy układu do monitorowania prądu

Procesory i analogowe czujniki prądu

Po ustaleniu, o jaki typ układu chodzi, przyjrzyjmy się ich możliwościom i temu, jak można oszczędzać energię. Gdy procesor (mikrokontroler) sterujący aplikacją ma zintegrowany przetwornik ADC, użycie go do pomiarów z wykorzystaniem rezystora bocznikowego lub innego analogowego czujnika prądu umieszczonego w innym miejscu na płytce drukowanej oznacza, że będzie musiał on realizować pomiary często. Jeśli system jest zasilany tylko napięciem 5 V, zwykłe wzmacniacze operacyjne i rezystory bocznikowe mogą stworzyć wystarczającą platformę sprzętową tego typu, niemniej, aby obniżyć moc systemu zużywaną na monitorowanie, trzeba wdrożyć okresowe odpytywanie. To zadziała, jednak dalej nie rozwiązuje jednak problemu monitorowania mocy w krytycznych punktach, które wymagają bardziej wyrafinowanego podejścia, np. pomiaru i optymalizacji wydajności energetycznej lub określenia pozostałego czasu pracy baterii. W obu takich przypadkach okresowe odpytywanie czujnika prądu za pomocą procesora hosta w oparciu o system przerwań oznacza niedokładność pomiarów. A zwiększenie repetycji odczytów oznacza straty energii. W związku z tym w takich aplikacjach praktycznie zawsze pomiary są realizowane tak, że można zaobserwować niedobór "zawsze działającego" procesora hosta.

Inną wadą wielu użycia procesorów jest konieczność stosowania elementów zabezpieczających, jeśli mają być one podłączone do szyn zasilających o napięciu powyżej 5 V. Gdy napięcie jest wyższe, konieczne jest użycie czujników prądu typu high side. Takie sensory (analogowe) są dostępne dla napięć do ponad 100 V, można je podłączyć bezpośrednio do szyny bez konieczności stosowania zewnętrznych elementów zabezpieczających i wyznaczać chwilowy pobór prądu i mocy.

W rzeczywistości, ponieważ głównym tematem są układy monitorujące wielokanałowe, trzeba zauważyć, że analogowe czujniki prądu też są dostępne w wersjach wielokanałowych, ale pobór mocy przez taki układ monitorujący jest po prostu iloczynem poboru mocy pojedynczego sensora (kanału) i liczby kanałów. Oznacza to, że jednokanałowy analogowy czujnik prądu, taki jak INA290, ma maksymalny prąd spoczynkowy 600 μA, a wersja podwójna z tej samej rodziny, INA2290, ma prąd spoczynkowy 1200 μA dla tych samych warunków pracy.

 

Rys. 2. Schemat blokowy wielokanałowego monitora prądu PAC195x

Układy scalone monitorów zasilania

Te problemy kierują uwagę ku specjalistycznym układom scalonym do monitorowania mocy. Najważniejsze jest to, że obliczają one zużycie energii na chipie niezależnie od kontrolera hosta. Nadal wykorzystuje on tę samą zasadę pomiaru, co w rozwiązaniach analogowych z rezystorami bocznikowymi, ale mają zintegrowany przetwornik ADC i układ mnożący, pozwalając uzyskać cyfrową reprezentację mocy. Wynik ten jest wystawiany jako stan rejestru przez interfejs cyfrowy. W rezultacie to podejście:

• oszczędza koszty związane z przygotowaniem oprogramowania, skraca czas jego opracowywania i obniża złożoność kodu związanego z procesem monitorowania jednego lub wielu czujników,
• zapewnia oszczędność czasu procesora i zapewnia dłuższy czas przez jaki jest on w stanie czuwania.

Po drugie, taki monitor zasilania zmniejsza wymagania dotyczące liczby koniecznych pinów w mikrokontrolerze. Wiele czujników ogólnego przeznaczenia wykorzystuje współdzielone interfejsy, dzięki czemu ich magistrale komunikacyjne mogą być współdzielone z dodatkowymi obwodami takimi jak czujniki temperatury, pamięci itp. Tego samego Rys. 1. Schemat blokowy układu do monitorowania prądu nie można powiedzieć o wielu analogowych czujnikach prądu, które wymagają wydzielonych tylko do ich obsługi pinów. Oznacza to również więcej linii GPIO dostępnych do użytku ogólnego.

Po trzecie, scalone monitory zasilania oszczędzają energię, pozwalając systemowi czekać na alert, zamiast stale realizować odczyt. Podczas oczekiwania host może pozostać w niższym stanie uśpienia lub gotowości i oszczędzać energię bez wpływu na jakość pomiarów.

Niższa moc także w monitorach wielokanałowych

Tym, co odróżnia wielokanałowe układy monitorujące moc od jednokanałowych, jest możliwość tworzenia scenariuszy próbkowania i raportowania w trybie karuzelowym (round robin), co pozwala na obniżenie mocy systemu. Większość producentów takich chipów używa podobnych architektur, stąd opis PAC1954 firmy Microchip można traktować jako uniwersalny.

PAC1954 ma tylko jeden ADC do pomiaru napięcia (Vsense), gdyż wejście jest multipleksowane w celu realizacji pomiaru na czterech rezystorach bocznikowych. W rezultacie dla tej architektury wymagana jest mniejsza moc spoczynkowa niż dla czterech oddzielnych czujników.

Na przykład, jeśli porównamy maksymalny prąd spoczynkowy pobierany przez typowy czterokanałowy czujnik prądu z wysokiej jakości jednokanałowym monitorem mocy, zobaczymy korzyść z zastosowania jednego przetwornika ADC w układzie czterokanałowym. Zużywa on maksymalnie 450 μA w temperaturze 85°C dla czterech kanałów pomiarowych przy 16-bitowej rozdzielczości. Wersja 1-kanałowa pobiera maksymalnie 400 μA przy 16-bitowej rozdzielczości, czyli 1600 μA dla 4 czujników. W najnowszym 2-kanałowym układzie tego typu firmy Microchip, PAC1952, maksymalny prąd spoczynkowy to 495 μA przy 125ºC. Konkurencyjne rozwiązania pobierają 800 μA, zatem ten system oszczędza energię na poziomie 1–(495/800) = 38% w zakresie pomiaru mocy.

Podsumowanie

Wielokanałowe układy scalone do monitorowania mocy zasilającej zapewniają:

• oszczędność kosztów i czasu związanych z oprogramowaniem i jego złożonością,
• pozwalają realizować pomiary w czasie, gdy procesor jest w stanie czuwania,
• mniejszą liczbę pinów wymaganych do obsługi monitorowania w procesorze. Przede wszystkim istnieje wymierna oszczędność energii zużywanej na monitorowanie – architektura oparta na współdzielonym przetworniku A/C pozwala zaoszczędzić do 38%.

Mitch Polonsky

Microchip
www.microchip.com