Energiezähler in Echtzeit Integrierte Leistungsmessung

Geräte mit Energiemessung liefern Telemetriedaten der Systemblöcke, die der Entwickler zur Leistungsoptimierung des Systems verwenden kann. Wie wird dedizierte Hardware für die Energiemessung eingesetzt, um den Prozessor gegenüber einer konventionellen Leistungsmessung signifikant zu entlasten?

Energiezähler ermöglichen Anwendungen, bei denen die Durchschnittsleistung ermittelt werden muss. Ein Beispiel ist die Echtzeitmessung des Wirkungsgrads von Schaltreglern: Dieser kann über die Zeit bei verschiedenen Betriebsbedingungen erfasst werden. Durch Messen von mehreren Versorgungsspannungen können ganze Schaltkreise für Leistungsmanagement (PMICs) in batteriebetriebenen Geräten überwacht werden. Die Messung der Leistung über die Zeit unterstützt auch eilige Entwicklungsaufgaben durch die Überwachung der einzelnen Stromversorgungen, beispielsweise in der Prototypenphase. Die protokollierten Daten dienen dann als Bestandsaufnahme zur kontinuierlichen Verbesserung der Gesamtversorgung. Das sind nur einige Beispiele, die den Nutzen eines Energiezählers aufzeigen.

In einem mit Spannung versorgten System liefert die Messung der Leistungsaufnahme von entscheidenden Systemspannungen Telemetriedaten für grundlegende Systemfunktionen. Die Echtzeitbetrachtung der Leistungsaufnahme hilft bei der dynamischen Optimierung der Batterienutzungsdauer. Leistungsüberwacher erfassen Spannung und Strom einer Versorgung und ermitteln daraus sofort die Momentanleistung. Sie werden in Systemen zwar oft zur Überwachung der Spitzenleistung einer Systemschiene eingesetzt, zur Bestimmung der durchschnittlichen Leistung ist jedoch ein größerer Rechenaufwand erforderlich. Zur Messung der Durchschnittsleistung müssen die Momentanleistungen über ein definiertes Zeitintervall gemittelt werden. Leistungswächter erfordern eine aufwendige Datenverarbeitung zur Addition und anschließender Berechnung der Durchschnittsleistung – bei Systemen mit begrenzter Rechenleistung sind schnell Grenzen erreicht. Aus diesem Grund sind konventionelle Leistungswächter für die Messung der Momentanleistung weniger geeignet. Energiezähler funktionieren wie Leistungswächter, liefern einem System-Host jedoch dank der integrierten Berechnungsfunktionen die Werte der Durchschnittsleistung. Durch die geringere Prozessorbelastung eignen sich Energiezähler ideal zur Überwachung der Durchschnittsleistung in Systemen mit begrenzter Rechenkapazität.

Funktionsweise

Energiezähler messen Spannung und Strom, berechnen daraus durch Multiplikation die Leistung und durch Addition mehrerer Messungen die kumulierte Energie. Die kumulierte Energie und die Anzahl der Messungen werden auf dem Chip gespeichert. Das Blockdiagramm in Bild 1 zeigt die Funktionsweise am Beispiel des Energiezählers MAX34407.

Der Energiezähler erfasst automatisch die Werte für Strom und Spannung aus vier Kanälen mit einem Multiplexer, einem Messverstärker für den Strom und einem 12-bit-ADC. Spannungs- und Stromwert werden auf dem Chip multipliziert, um einen 28-bit-Leistungswert für jedes Messpaar zu erhalten. Die Leistungswerte werden addiert und in einem 48-bit-Register gespeichert. Die Anzahl der Messungen wird ebenfalls aufaddiert und in einem 24-bit-Register gespeichert. Eine Ablaufsteuerung und ein integrierter Oszillator lassen den MAX34407 weitgehend selbstständig arbeiten. Ein zusätzlicher Messtakt ist nicht erforderlich.