Измерение мощности и энергопотребления с помощью цифровых мониторов

Журнал РАДИОЛОЦМАН, май 2018

Dennis Hudgins, Texas Instruments

По мере увеличения спроса на энергоэффективные системы еще большее значение приобретает проблема точного контроля мощности и энергопотребления, которую необходимо решать все большему числу инженеров. Одним из решений этой проблемы является измерение напряжения и тока с помощью аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) с последующим перемножением полученных результатов процессором для получения мощности. Однако, поскольку напряжение и ток обычно изменяются независимо друг от друга, задержки при обмене данными и неодновременное поступление информации о результатах оцифровки приводят к ошибкам вычислений из-за расхождения времени измерения компонентов расчетной формулы. Для минимизации задержки между измерениями напряжения и тока производительность процессора должна быть достаточной для получения данных от АЦП и вычислений мощности. Но даже при использовании процессора, предназначенного только для выполнения этой функции, любое взаимодействие с другими элементами системы может задержать выполнение измерений и снизить точность расчетов, а добавление дополнительных функций, таких как усреднение напряжения, тока и мощности, а также мониторинг энергопотребления системы, приведут к еще большей нагрузке на процессор.

Лучшим способом решения этой задачи будет использование специализированных цифровых мониторов тока, которые за счет выполнения всех необходимых математических вычислений и сигнализации о возникновении высокоприоритетных событий освобождают процессор для выполнения других системных функций. Texas Instruments предлагает широкий спектр подобных приборов, одним из которых является микросхема INA233, структурная схема и типовой вариант включения которой показаны на Рисунке 1. Эта микросхема позволяет контролировать напряжение, ток, мощность и энергопотребление и передавать информацию о результатах измерений с помощью интерфейсов, совместимых с I²C, SMBus и PMBus.

Рисунок 1.	Типовая схема включения INA233.

На Рисунке 2 показана упрощенная схема внутреннего процессора расчета мощности, которая, для минимизации ошибки расхождения во времени, вычисляется на основании результатов чередующихся измерений напряжений питающей шины и токового шунта.

Рисунок 2.	Процессор расчета мощности микросхемы INA233.

Все внутренние расчеты выполняются в фоновом режиме и не зависят от скоростей преобразования АЦП и обмена данными по цифровой шине. Микросхема имеет также вывод ALERT, уведомляющий хост-процессор о выходе напряжения, тока или мощности питающей шины за пределы ожидаемых значений. Аварийные события в INA233 обрабатываются независимо, поэтому, прочитав внутренние статусные регистры после появления сигнала ALERT, можно получить информацию одновременно о нескольких источниках неисправностей. Внутренние возможности обработки и оповещения о неисправностях микросхемы INA233 освобождают хост-процессор для управления другими задачами, в то время как устройство может сосредоточиться на постоянном мониторинге системы. INA233 обращается к хост-процессору лишь тогда, когда нуждается в дополнительном внимании.

Микросхема INA233 также содержит 24-разрядный аккумулятор, в котором непрерывно суммируются результаты предыдущих измерений мощности. Аккумулятор мощности может использоваться для контроля энергопотребления системы, чтобы получить среднее значение мощности за определенный период времени. Поскольку мгновенная мощность может постоянно меняться, контроль расхода энергии на протяжении длительного интервала времени является лучшим способом оценки ее среднего значения. Знание количества энергии, расходуемой системой, позволяет во время работы оценивать ее состояние и энергоэффективность, а также эффекты от оптимизации энергопотребления, включая настройку напряжения питания и тактовой частоты процессора.

Время преобразования АЦП для измерения напряжений токового шунта и шины питания программируется в диапазоне от 140 мкс до 8.244 мс. Как видно из Рисунка 3, увеличение времени преобразования снижает чувствительность к шумам и повышает стабильность измерений.

Рисунок 3.	Зависимость уровня шума от времени преобразования АЦП.

В дополнение к возможности программной настройки времени преобразования АЦП, устройство может усреднить до 1024 измерений, чтобы обновить значения внутренних регистров напряжения, тока и мощности. Программируемые времена преобразования и окон усреднения позволяют корректировать скорость обновления телеметрической информации в соответствии с требованиями системы.

Несмотря на наличие в INA233 встроенных механизмов усреднения и настройки времени преобразования АЦП, до получения результата пользователь должен подождать, пока завершится усреднение. Одним из преимуществ внутреннего аккумулятора является возможность вычислить среднее значение мощности в любое время по запросу хост-процессора, не дожидаясь окончания интервала усреднения. В этом случае средняя мощность определяется путем деления общей накопленной суммы результатов измерения мощности на количество отсчетов на данном интервале накопления:

где

P_AVR – средняя мощность,
P – результат i-го измерения,
P_TOT – общая накопленная сумма результатов измерения мощности,
n – количество отсчетов на интервале накопления.

После этого путем умножения средней мощности на длительность измерительного интервала или умножения общей накопленной мощности на время преобразования АЦП рассчитывается энергопотребление:

где

E – энергия,
T – длительность интервала измерений,
T_CONV – время преобразования АЦП.

Поскольку разброс времени преобразования АЦП может достигать 10%, рекомендуется умножать среднюю мощность на время, измеренное внешними часами. Интервал времени для вычисления энергопотребления должен быть достаточно большим, чтобы время передачи данных по цифровой шине было незначительным по отношению к общему времени, используемому при расчете энергии.

Емкость аккумулятора мощности INA233 ограничена 24 битами, поэтому его значение должно периодически считываться и очищаться хост-процессором во избежание переполнения. Имеется возможность сконфигурировать аккумулятор для автоматической очистки после каждого считывания. Время переполнения будет функцией от величины потребляемой мощности, времени преобразования АЦП и длительности интервала усреднения. При более высоких уровнях мощности переполнение аккумулятора мощности наступит быстрее, чем при низких уровнях. Кроме того, большее время преобразования и большее число усредненных значений отодвигают момент переполнения; в случаях более низкого энергопотребления время до переполнения может быть увеличено до нескольких часов, или даже до нескольких дней.

Таблица 1.

Рекомендуемые альтернативные устройства

Микросхема Оптимизированные параметры Отличия от INA233 INA226 Совместимость с I2C/SMBus, сокращенный набор регистров Нет аккумулятора мощности и независимого контроля аварийных ситуаций INA231 Корпус WCSP, сокращенный набор регистров, меньшая стоимость Более низкая точность, отсутствие аккумулятора мощности и независимого контроля аварийных ситуаций INA219 Наименьшая стоимость, сокращенный набор регистров Меньшая точность и разрешающая способность, отсутствие выхода ALERT и аккумулятора мощности INA3221 Контроль трех каналов Меньшая точность и разрешающая способность, контроль напряжений питающей шины и токового шунта

Микросхема INA233 – лишь один из множества цифровых мониторов тока , предлагаемых Texas Instruments. В Таблице 1 приведен список некоторых альтернативных устройств, которые могут использоваться для контроля системы и освободить хост-процессор для выполнения задач более высоких уровней.

Дополнительная техническая документация

Материалы по теме