Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2018
Alfredo Medina и Mohamed Ismail
EDN
Накопители энергии используются во множестве приложений, требующих измерения среднего уровня мощности. Например, измерение в реальном времени КПД импульсного преобразователя позволяет оценить его эффективность на протяжении длительного периода при постоянно меняющихся условиях работы. Расширение этой идеи на несколько шин позволяет контролировать микросхемы управления питанием в работающих на батареях приложениях с высокой плотностью размещения компонентов. Кроме того, аккумулирование энергии облегчает и ускоряет процесс создания прототипов за счет мониторинга различных питающих шин на этапе разработки, поскольку зарегистрированные данные могут служить основой для постоянного улучшения характеристик схемы. Это лишь несколько примеров, демонстрирующих, насколько полезно использование аккумуляторов энергии для измерения в реальном времени критически важных параметров мощности.
Введение
В электрической системе измерение энергопотребления по основным шинам питания обеспечивает телеметрию критически важных функций. Контролируя расход энергии в реальном времени, система может выполнять динамическую оптимизацию, тем самым, продлевая срок службы батареи. Мониторы потребляемой энергии измеряют напряжение и ток шины питания, определяя мгновенное значение мощности. Хотя подобные мониторы часто используются в системах, постоянно контролирующих величину максимального энергопотребления, в случае необходимости узнать среднюю мощность потребуется большой объем вычислений. Чтобы определить среднюю мощность, необходимо дополнительно сохранять и обрабатывать результаты измерения ее мгновенных значений на протяжении определенного интервала времени, что не всегда возможно в системах с ограниченной производительностью. По этой причине традиционные мониторы питания плохо подходят для решения данной задачи. Аккумуляторы энергии похожи на мониторы питания, но, в отличие от мониторов, имеют встроенную функцию накопления, помогая микроконтроллеру определять средние значения измеряемой величины. Снижение нагрузки на процессор делает аккумуляторы энергии идеальным решением для контроля средней мощности в системах с ограниченными вычислительными ресурсами.
Принцип работы
Аккумуляторы энергии измеряют амплитуды выборок напряжения и тока, умножают результаты измерений, чтобы получить мгновенную мощность, и суммируют результаты умножения, сохраняя накопленную мощность вместе с информацией о количестве отсчетов во внутренних регистрах.
В качестве примера рассмотрим микросхему MAX34407, блок-схема которой изображена на Рисунке 1. MAX34407 автоматически собирает из четырех каналов отсчеты тока и напряжения, используя мультиплексор, токоизмерительный усилитель и 12-разрядный АЦП. Выборки напряжения и тока умножаются на кристалле, чтобы для каждой пары выборок получить 28-разрядные значения мощности. Эти значения суммируются и сохраняются в 48-разрядном регистре, а количество накопленных мгновенных отсчетов записывается в 24-разрядный регистр. Наличие автомата, управляющего последовательностью операций, и встроенного генератора делает работу MAX34407 полностью автономной, поскольку не требует использования внешнего источника импульсов выборки.
 |
||
| Рисунок 1. | Блок-схема аккумулятора энергии MAX34407. | |
При получении команды по шине I2C/SMBus устройство передает значения аккумулированной мощности и количества отсчетов в доступные регистры хост-контроллера. Передача данных происходит без пропуска выборок и позволяет хосту получать данные за любой временной интервал. В нормальном режиме частота дискретизации MAX34407 составляет 1024 выб/с. При разрядности аккумулятора 48 бит и разрядности каждой выборки 28 бит до того, как процессор должен будет считать очередные данные, может быть накоплено 220 значений мгновенной мощности, что составляет:
Как только хост получит результаты измерений, он может рассчитать среднюю мощность в нагрузке. Такой алгоритм работы не требует затрат процессорного времени на накопление информации о потребляемой мощности, освобождая хост-контроллер для решения более важных задач. Средняя мощность рассчитывается хост-контроллером с использованием приведенных ниже констант и формул на основе величины аккумулированной мощности PACC и количества отсчетов COUNT через коэффициент масштабирования PSCALE по следующему алгоритму.
Константы и формулы, относящиеся к MAX34407:
- Входное напряжение полной шкалы:
VFS = 16 В - Измеренное напряжение, соответствующее току полной шкалы:
VSENSE = 100 мВ; - Разрядность величины мгновенной мощности:
28 бит;
Масштабирующий множитель:
- Ток полной шкалы:
- Коэффициент масштабирования мощности:
- Наименьший значащий бит:
- Вычисление среднего значения мощности:
Приведенный выше пример преобразования накопленных отсчетов АЦП в среднюю мощность справедлив только для MAX34407. Другие аккумуляторы энергии могут отличаться характеристиками и принципом работы, поэтому необходимо внимательно изучать особенности каждой микросхемы.
Измерение КПД одной микросхемой
При использовании многоканальных аккумуляторов мощности измерение КПД, одной из важнейших характеристик преобразователя, может быть реализовано с помощью единственной микросхемы. После завершения проекта разработчик или конечный пользователь не имеют возможности контролировать КПД, который может зависеть от времени и условий работы. Дрейф параметров компонентов, режим нагрузки, внешние факторы, такие как температура и влажность – все это постоянно влияет на характеристики преобразователя, поэтому мониторинг КПД преобразователя в реальном времени приобретает большую важность.
Поскольку MAX34407 имеет несколько измерительных каналов, КПД преобразователя может быть измерен путем накопления мощности на его входе (PIN) и выходе (POUT). Результат этих двух измерений передается в микроконтроллер для вычисления КПД (h) по следующей формуле:
Рисунок 2 демонстрирует типовую схему измерения КПД понижающего преобразователя MAXM17504 с использованием аккумулятора энергии MAX34407. Примером приложения для этой схемы может служить 12-вольтная солнечная панель, в которой первичный преобразователь обычно поддерживает слежение за точкой максимальной мощности (MPPT).Результаты измерений КПД могут служить сигналом обратной связи, позволяющим системе или разработчику оптимизировать алгоритм MPPT на основе внутрисхемных измерений. Входное напряжение MAXM17504, равное 12 В ±10%, не выходит за границы допустимого для MAX34407 диапазона рабочих напряжений от 2.7 В до 15 В. Полный диапазон измерений токоизмерительного усилителя составляет 100 мВ, поэтому для максимального входного тока 2 А использовался входной резистор 50 мОм, а для максимального выходного тока 4 А – выходной резистор 25 мОм.
 |
||
| Рисунок 2. | Схема измерения КПД. | |
 |
||
| Рисунок 3. | Схема измерения КПД с использованием метода 4-DMM. | |
На Рисунке 3 показан альтернативный метод измерения КПД преобразователя с помощью четырех настольных цифровых мультиметров (DMM). Измеряя напряжения и токи на входе и выходе, можно определить КПД преобразователя с высокой точностью, поэтому результаты измерений методом 4-DMM приняты в качестве эталона для оценки достоверности величины КПД, полученной с помощью микросхемы аккумулятора энергии. Сравнение результатов измерений КПД с помощью MAX34407 и метода 4-DMM показано на Рисунке 4.
 |
||
| Рисунок 4. | Сравнение результатов измерения КПД с помощью MAX34407 и метода 4-DMM. |
|
 |
||
| Рисунок 5. | Результаты измерения КПД с помощью MAX34407 и метода 4-DMM с компенсацией потерь в датчике выходного тока. |
|
Заметное расхождение результатов объясняется рассеиванием мощности в резисторе датчика выходного тока, значение которой входит в измеренную входную мощность, но не учитывается при измерении мощности на выходе, поскольку MAX34407 измеряет синфазное напряжение на нагрузке относительно вывода токоизмерительного резистора с меньшим потенциалом. Это можно компенсировать добавлением расчетного значения мощности, рассеиваемой на резистивном датчике, к величине выходной мощности, в соответствии с формулами:
где
POUT и VOUT измеряются MAX34407,
RSENSE – известное сопротивление токоизмерительного резистора.
Результаты компенсированных измерений, представленные на Рисунке 5, показывают, что максимальное расхождение между значениями, полученными с помощью MAX34407 и методом 4-DMM, составляет –0.5%. Отсюда следует, что при надлежащей компенсации выходной мощности MAX34407 может использоваться для точного измерения КПД системы. Важно отметить, что предложенный метод компенсации наиболее эффективен для преобразователей, пульсации напряжения которого не превышают 1%.
