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多電流監控疑難解析
 

【作者: Mitch Polonsky】   2022年06月27日 星期一

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一些使用電池供電的系統會配備多個電流感測器或功率監視器,在這類系統中,多通道功率監視器將幫助設計人員大幅降低系統功耗和程式複雜性。


具體來說,與重複使用單通道元件相比,選擇多通道元件進行功率測量時能夠降低至少38%的功耗。此外,由主機處理器維護的功率監控活動可以進入休眠模式,以保留更多的處理能力用於其他活動。


遺憾的是,首先需要就命名法達成一致。現在有多個不同的短語被用來指稱這一元件類別, 有些人稱之為上橋臂電流感測器(high-side current sensors)、電流感測器(current sensor),或是功率監視器IC(power monitor IC)。這類元件具有數位介面,輸入可直接連接到高於5V的電壓軌,可測量通過檢測電阻的電流、電壓和功率。這類功率監視器具有一個既定優勢,即能夠連接到較高的電壓。有些功率監視器最高可以承受100V的電壓,而其他中階元件最高只能承受32V的電壓。因此,有了這類元件,便無需在高壓應用中使用外部元件。


圖一以一個簡單的架構圖示來輔助說明該元件類別。ADI(Maxim,LT)、TI、Renesas(Intersil)和Microchip都有此類元件。Maxim將這類元件稱為帶有數位輸出的電流感測器,而ADI稱這類元件為功率監視器。TI和Microchip都將這類元件稱為電流/電壓/功率監視器,因此命名法的一致性得以延續。



圖一 : 主機處理器和類比電流感測器
圖一 : 主機處理器和類比電流感測器

既然命名法的問題已經解決了,我們來回顧一下這類元件的一些優勢,以及如何利用多通道版本來降低功耗。本文首先介紹整合ADC的主機處理器,主機需要持續通電以測量位於電路板上其他位置的電流感測器。如果系統僅使用不超過5V的電源電壓,則可能只需要簡單的運算放大器和電阻即可測量系統的功率。要降低監控活動產生的系統功耗,可以執行週期性輪詢(periodic polling)。


然而,這並沒有解決關鍵電源軌需要更加主動的管理的問題。這種管理可用於測量和優化電源效率或瞭解剩餘電池壽命。在任一情況下,如果可以使用具有限值的獨立電流感測器實現中斷功能,則主機處理器可以在較低功耗狀態下堅持更長的時間。因此,在需要監控關鍵電源軌的應用中會發現一個缺陷,即主機處理器“always on”。


許多主機處理器還有另外一個缺陷,即如果要連接高於5V的更高電壓軌,則必須保護元件,如此可以看到上橋臂電流感測器的優勢。現在,試想一個純類比上橋臂電流感測器。這類電流感測器的一般模式電壓高達100V以上。這類元件可以直接連接到更高的電壓軌,無需外部保護元件。此外,這類元件仍向主機控制器提供訊號,這些訊號代表系統中的電流和功率。


事實上,既然討論的主題是多通道功率監控,則應該注意,即使是類比電流感測器也有多通道選項。在此,類比電流感測器的主動功耗通常等於單個元件的功耗乘以通道數。亦即假如單通道類比電流感測器(例如INA290)的最大靜態電流為600 μA,那麼在相同的工作條件下,同一系列中的雙通道版本INA2290的靜態電流為1200 μA。


功率監視器IC

接著介紹功率監控IC主題,這是一種混合訊號元件。對於選用“always on”的主機控制器和類比電流感測器的系統,下文將介紹功率監視器對其進行改進的方式。


首先,功率監視器獨立於主機控制器計算晶片功耗。該元件使用的方法仍與類比電流檢測放大器相同,但比其更進一步,可通過整合ADC和倍頻器實現功率的數位表示,然後再透過數位介面將該數位值傳輸到暫存器;由此提供數位功率計算。因此,系統主機處理器可以有下列的好處:


‧ 節省監控一個或多個類比電流感測器產生的軟體開銷、縮短開發時間並降低程式複雜性


‧ 縮短處於喚醒狀態的時間,同時感測器可以累積資料


其次,功率監視器還有一項附加優勢,即可以通過使用共用通訊匯流排減少主機需要的接腳數。許多通用感測器使用共用介面,因此可與額外的功率監視器、溫度感測器和記憶體等共用這些匯流排。使用多個單通道類比電流感測器時則沒有這樣的優勢,因為它們需要在主機上使用額外的接腳。此外,這也意味著有更多的GPIO被作為一般功能使用。


第三,功率監視器允許系統等待警告訊號而不是輪詢讀數,因此可以降低主機功耗。在此等待期間,主機可以選擇保持在功耗較低的休眠或待機狀態,以節省更多的系統電池電量,同時由功率監視器監控關鍵電壓軌的偏差。


使用多通道功率監視器降低功耗

最後,敘述多通道功率監視器主題。與單通道元件有所不同,這類多通道功率監視器能夠構建迴圈採樣和報告架構,進而降低系統功耗。大多數公司都使用類似的架構,因此將透過用於PAC1954的Microchip架構來進行說明。


請注意,PAC1954元件具有一個用於測量Vsense的ADC,透過對這一功能模組進行多工,可以測量和報告系統中四個檢測電阻的Vsense電壓。因此,與四個單通道電流感測器相比,此架構所需的靜態功耗更低。



圖二 : PAC195x-1 功能架構圖
圖二 : PAC195x-1 功能架構圖

例如,如果將競爭對手的四通道電流感測器的最大靜態電流與高品質的單通道功率監視器進行比較,可以看到將一個ADC用於四通道元件的既定優勢。在85°C溫度下,以16位元的解析度進行四通道測量時,競品元件消耗的最大電流為450 μA。在以16位元的解析度進行單通道測量時,功率監視器消耗的最大電流為400 μA,也就是說,四個通道總共消耗1600 μA。


最新的Microchip元件也可以執行上述計算。現在,我們以雙通道功率監視器PAC1952為例,該元件在125°C溫度下消耗的最大靜態電流為495 μA。在功率測量方面,與競品元件消耗的最大靜態電流800 μA相比,系統功耗降低了1–(495/800) = 38%。


總結

使用多通道功率監視器IC可以帶來以下的優勢:


‧ 節省軟體開銷、縮短開發時間並降低程式複雜性


‧ 縮短處於喚醒狀態的時間,同時感測器可以累積資料


‧ 減少主機上的接腳數或釋放更多的主機接腳以用作通用GPIO


‧ 使用報警喚醒系統而不是輪詢偏差讀數,進而降低主機功耗


最重要的是,使用多通道功率監視器代替單通道功率監視器可以顯著節省電能。正如來自多家供應商的多個元件所示,基於共用ADC的架構,將有助於降低對系統電壓軌進行功率監控時產生的功耗,最高可降低38%。


(本文作者Mitch Polonsky 為Microchip Technology混合及線性訊號產品部資深產品行銷經理)


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