Использование аккумуляторов мощности для измерения энергопотребления в реальном времени. Часть 2

Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2018

Alfredo Medina и Mohamed Ismail

EDN

Часть 1

Контроль энергопотребления приложений с PIMC

Для продления срока службы батареи крайне важно контролировать шины напряжения микросхемы управления питанием (power management integrated circuit – PIMC) и определять характеристики системы, основываясь на количестве потребляемой энергии. Диагностика накопления энергии может использоваться для выявления системных блоков, потребляющих наибольшую мощность, чтобы позволить микроконтроллеру оптимизировать распределение питания в случае, когда системный блок расходует значительную часть оставшейся емкости батареи.

Рисунок 6.	Контроль энергопотребления PMIC.

Типовая схема мониторинга энергопотребления приложения с использованием аккумулятора энергии MAX34407 и PMIC MAX77650 показана на Рисунке 6. MAX77650 содержит многоканальный преобразователь, которому для формирования напряжений на трех понижающе-повышающих выходах требуется всего один дроссель. В состав PMIC включен также аналоговый мультиплексор, с помощью которого можно получить информацию о состоянии или статусе заряда батареи, такую как напряжение или ток. Добавление в схему аккумулятора энергии, подобного MAX34407, позволяет легко измерить энергопотребление дополнительных питающих шин и обеспечить центральный процессор необходимой обратной связью.

Контроль энергопотребления системы

В системах с высокими требованиями к надежности питания не могут использоваться PMIC с ограниченными возможностями. В подобных системах питание критически важных системных нагрузок обеспечивается несколькими преобразователями. Контроль аккумулированной энергии также может быть использован для оптимизации эффективности системы за счет управления нагрузками в соответствии с доступностью мощностью источника.

Рисунок 7.	Контроль энергопотребления системы.

Типовая схема системы питания, в которой мониторинг критически важных нагрузок выполняется с помощью MAX34407, показана на Рисунке 7. К схеме подключена шина входного напряжения для измерения входной мощности системы. Кроме того, для определения КПД системы и защиты мощных выходов контролируются питающие шины с наибольшим потреблением мощности. Важно отметить, что, поскольку преобразователи могут располагаться на большом расстоянии от MAX34407, необходимо обеспечить правильную разводку печатной платы, чтобы помехи от работы преобразователей не влияли на результаты измерений мощности. Вопросы проектирования печатной платы рассмотрены ниже в данной статье.

Контроль энергии на этапе создания прототипа

В условиях современного конкурентного рынка решающее значение имеет высокая скорость разработки, поэтому все более востребованными становятся приложения, которые могут быть реализованы быстро и легко. Многие разработчики для быстрого создания прототипа используют микроконтроллерные платформы, такие как ARM mbed, Arduino, Raspberry Pi и прочие, которые могут быть легко расширены с помощью дочерних плат, предоставляющих дополнительные аппаратные функции, отсутствующие в базовой конфигурации платформы. Функцию аккумулирования энергии можно использовать для контроля характеристик прототипа, чтобы ускорить процесс разработки.

Дополнительная плата аккумулятора энергии позволяет измерять энергопотребление любой системной шины питания на этапе разработки проекта. Это обеспечивает простой способ оценки эффективности программного обеспечения, датчика и преобразователя, или общего энергопотребления любого системного блока. Измерительные резисторы и клеммные колодки, размещенные на дополнительной плате, позволяют определять энергопотребление отдельных модулей. В качестве альтернативы токоизмерительные резисторы можно устанавливать не на дополнительных платах, а на платах прототипа. Каким бы ни было приложение, использование аккумулятора энергии позволит уже на этапе проектирования получить важные данные о потреблении мощности.

Печатная плата и помехоподавляющие фильтры

В любом измерительном приложении разводка печатных проводников имеет решающее значение для минимизации погрешности измерений. Кроме того, контроль энергопотребления требует размещения компонентов вблизи импульсных преобразователей, помехи от которых будут вызывать ошибки измерений. Поэтому крайне важно уменьшить уровень наводимых помех путем грамотной разводки печатной платы. Например, при правильном выполненном подключении Кельвина две токоизмерительные линии должны иметь одинаковую длину и проходить параллельно друг другу на минимальном расстоянии. В случаях, когда шум неизбежен, на входах монитора мощности могут быть установлены фильтры, подавляющие как синфазные, так и дифференциальные шумы.

Рисунок 8.	Фильтр синфазной помехи.

MAX34407 выполняет измерения в цепи верхнего плеча, что делает микросхему чувствительной к синфазным помехам, поэтому, если в системе присутствует значительный уровень синфазных шумов, может потребоваться дополнительная фильтрация сигнала. Для подавления нежелательных шумов последовательно с токоизмерительными входами включаются RC-фильтры. Один из вариантов синфазного фильтра, состоящего из двух идентичных RC-цепочек в каждой токоизмерительной линии, показан на Рисунке 8. Эти цепочки образуют эффективные фильтры нижних частот синфазных сигналов. Поскольку резисторы фильтра включены в измерительные линии последовательно, для предотвращения смещения при измерении мощности они должны быть хорошо согласованы. По этой причине для фильтров должны выбираться резисторы с допустимыми отклонениями сопротивлений 1% или меньше. Кроме того, чтобы не вносить дополнительную погрешность, сопротивления резисторов фильтра должны быть намного меньше входного сопротивления аккумулятора энергии. Полюсы фильтров выбираются таким образом, чтобы они были намного ниже частоты выборки Найквиста аккумулятора. Определить положение полюса фильтра синфазной помехи можно с помощью формулы

Из-за наличия внутренних переключений входной ток источников питания достаточно зашумлен, что приводит к появлению дифференциальной помехи на входе аккумулятора энергии, проникающей через токоизмерительный резистор верхнего плеча. Дифференциальный шум может быть ослаблен дифференциальным фильтром, показанным на Рисунке 9. Так же, как и в синфазном фильтре, резисторы дифференциального фильтра должны быть хорошо согласованы, их сопротивление должно быть намного меньше входного сопротивления измерителя тока, а полюс дифференциального фильтра должен быть ниже частоты Найквиста аккумулятора энергии. При последовательном соединении двух резисторов и конденсатора полюс дифференциального фильтра для сигнала между входами +IN1 и –IN1 MAX34407 можно определить по формуле

Для подключения аккумулятора энергии, расположенного вне платы, необходимо использовать витую пару. Это относится к таким приложениям, как mbed или шилды Arduino, где измерение мощности производится удаленно. В типичной конфигурации к выводам токоизмерительного резистора подключается витая пара, которая уменьшает площадь петли между двумя измерительными проводами, эффективно снижая уровень помех. Кроме того, индуктивная связь между проводами витой пары снижает уровень дифференциальных помех. Таким образом, при дистанционном измерении мощности в нагрузке необходимо использовать витую пару.

Рисунок 9.	Фильтр дифференциальной помехи.

Заключение

Аккумулирование энергии является желательной функцией в любой системе, требующей защиты или оптимизации КПД. Рассмотренные вопросы актуальны для систем как большой, так и малой мощности, поскольку и в том, и в другом случае необходимо определять уровень энергопотребления по критическим системным шинам. Кроме того, аккумулирование энергии специальными аппаратными средствами высвобождает много процессорного времени, которое понадобилось бы при использовании традиционных мониторов питания. В целом, эти аккумуляторы энергии обеспечивают телеметрический контроль системных блоков, позволяя разработчику принимать решения, основанные на оценке характеристик их энергопотребления.

Материалы по теме