Energieüberwachung für 100 V Gleichspannung IC vereinfacht Energie-Monitoring

Zuverlässige Energieüberwachung erleichtert ein IC
Zuverlässige Energieüberwachung erleichtert ein IC

In Zeiten der Energiewende und der wachsenden Anforderungen an die Energieeffizienz ist eine zuverlässige Energieüberwachung wichtig. Diskrete Lösungen sind häufig kompliziert. Ein IC erleichtert das ­Energie-Monitoring.

In der heutigen Welt der Elektronik mit ihrem bewussten Umgang mit der Leistungsaufnahme werden die Begriffe Energie- und Leistungsüberwachung häufig für dasselbe verwendet, obwohl sie in Wahrheit leicht unterschiedliche Bedeutungen, Anwendungen und Vorteile haben. Die Energie wird im täglichen Gebrauch häufig als die Energiemenge definiert, die innerhalb einer bestimmten Zeit „konsumiert“ wird; gemessen wird sie in Joule [J] oder Kilowattstunden [kWh]. Im Gegensatz dazu steht die Leistung für die in einer Zeitspanne umgesetzte Energie, die in Watt (Js-1 = W) gemessen wird. Die Leistungsangabe definiert also typischerweise, wie viel Elektrizität ein Gerät während einer Momentaufnahme aufnimmt. Energie zeigt im Nachhinein an, wie viel Elektrizität während einer definierten Zeitperiode konsumiert wurde. Obwohl das Ziel eines Energie- und Leistungs-Monitors letztendlich dasselbe ist, ist ein Energie-Monitor in den meisten Anwendungen nützlicher, da er einen Schritt weiter geht: Er berücksichtigt die Änderungen in den Leistungspegeln über einen Zeitraum hinweg.

Abseits von AC-Lasten wird die Energieüberwachung immer populärer und ist bereits in einigen DC-Lastapplikationen etabliert. Handheld-Messgeräte sowie in Schaltschränken oder direkt in der Linie integrierte Energiezähler sind bereits verfügbar und geben Aufschluss über die umgesetzte Energie von Anlagen oder Abteilungen. Außerdem können Lastprofile erstellt werden, in denen ein erwartetes Energieverbrauchsmuster mit dem aktuellen Energiebedarf verglichen wird und Problembereiche basierend auf Abweichungen von den modellierten Energieverbrauchsmustern angezeigt werden. Beim Dimensionieren der Lasten kann der Anwender bestimmen, wie viele Computer, Batterien usw. jederzeit mit einem System verbunden sind. Die Energieüberwachung findet auch im Bereich der Erneuerbaren Energien wie in Windturbinen oder Solarzellen Anwendung; hier wird überwacht, wie viel elektrische Energie erzeugt wird. In Elektro-Fahrrädern oder -Fahrzeugen können Energiemesser anzeigen, wie viel Energie pro Kilometer benötigt und wie viel elektrische Energie aus der Batterie gezogen bzw. zurückgespeist wird. Obwohl eine diskrete Energieüberwachungslösung mit einem Mikroprozessor und einer geringen Anzahl weiterer Komponenten aufgebaut werden kann, würde das durch die kontinuierliche Datenabfrage, welche für die Berechnungen und Datenanalyse nötig sind, zu einem System-Overhead führen. Ein geeignetes Energieüberwachungs-IC vereinfacht die Energieüberwachung, denn mit ihm lassen sich Parameter wie Spannung, Strom, Leistungs- und Energiepegel abrufen und Rückschlüsse auf die Gesundheit des Systems schließen. Programmierbare Alarmschaltschwellen für eine frühe Fehlerkennung helfen, Probleme schon im Vorfeld zu erkennen und ihnen entgegenzuwirken. Alternativ dazu kann das System mit Hilfe von Verbrauchsmustern optimiert werden; mit diesen Informationen können Ressourcen entsprechend eingeteilt und anstehende Aufgaben auch an nicht ausgelastete Geräte übergeben werden.

Die Rolle des Energieüberwachungsmodells

Eine Energieüberwachung kann auf unterschiedliche Weise realisiert werden. Der Strom wird mit Hilfe eines Messwiderstands und eines Verstärkers bestimmt; dabei ist es am besten, wenn der Gleichtaktbereich des Verstärkers bis zum positiven Versorgungspegel reicht und seine Ausgänge auf Massepotenzial umsetzt. Spannungsteiler werden benötigt, um die Spannung zu messen; gilt es mehr als eine Spannung zu überwachen, wird ein Multiplexer hinzugefügt. Als Nächstes folgen ein mehrkanaliger A/D-Umsetzer mit einer Referenzspannung sowie Möglichkeiten für den Anschluss an einen Mikroprozessor. Die A/D-Wandlung muss ggf. mit der Zeitbasis des Mikroprozessors synchronisiert werden. Zudem muss der Mikroprozessor in der Lage sein, Leistungsberechnungen durchzuführen und diese Leistungswerte über die Zeitperiode, für die die Energie berechnet werden muss, aufzusummieren. Treten Minimal- und Maximalwerte oder Alarme für einen dieser Parameter auf, muss ein zusätzlicher Code ständig ausgeführt werden. Wegen der insgesamt hohen Komplexität ist eine inte­grier­te Lösung für die Energieüberwachung von Vorteil.

Der LTC2946 von Linear Technology (Bild 1) integriert alle nötigen Funktionsblöcke in ein QFN-Gehäuse mit 4 × 3 mm² Kantenlänge oder in ein MSOP-Gehäuse und ermöglicht eine praktikable Energieüberwachung für eine Vielfalt an Applikationen, in denen eine diskrete Lösung nicht in Frage kommt. Bei dem Baustein handelt es sich um einen High- oder Low-seitig einsetzbaren Lade-, Leistungs- und Energiemonitor für DC-Betriebsspannungsschienen von 0 V bis 100 V. Ein integrierter 12-bit-A/D-Umsetzer mit einer Genauigkeit von ±0,4 % ermöglicht in Verbindung mit einer externen Präzisionszeitbasis (Quarz oder Taktsignal) eine Messgenauigkeit von besser als ±0,6 % für Strom- und Ladungsmessungen bzw. ±1 % für Leistungs- und Energiemessungen. Falls keine externe Zeitbasis verfügbar ist, kann stattdessen eine interne Zeitbasis mit einer Genauigkeit von ±5 % verwendet werden.

Der LTC2946 bietet Zugriff auf alle Parameter, die für die genaue Ermittlung und das Management des Energieverbrauchs auf Baugruppenebene erforderlich sind. Der Baustein kann direkt durch eine Betriebsspannung von 2,7 V bis 5 V gespeist werden oder über einen internen Linearregler durch eine Betriebsspannung von 4 V bis 100 V, oder über einen internen Shunt-Regler an einer Betriebsspannung von mehr als 100 V. Zwei der drei Universal-Ein-/Ausgang-Pins (GPIO) können als Accumulator-Enable- und Alarmausgang-Pins konfiguriert werden. Durch seinen weiten Arbeitsbereich ist der LTC2946 eine ideale Lösung für die Überwachung des Energiebedarfs in Blade-Servern, Telekommunikation, Solaranlagen, industriellen Anlagen und Advanced Mezzanine Cards (AMC).

Bild 2 zeigt die Überwachung von Eingangsspannung und -strom eines 3,3-V-Mikroprozessors mit dem LTC2946 mit 12 V Versorgungsspannung. Die einzigen externen Komponenten sind ein Messwiderstand und drei Pull-up-Widerstände. Wegen seines weiten Versorgungsspannungsbereichs eignet sich der LTC2946 in vielen unterschiedlichen Systemen mit niedriger, aber auch hoher Spannung. Außerdem ist der Baustein auch nützlich in der Überwachung von Strompegeln während Kurzschlüssen oder Blackout-Situationen. Der interne ∆-∑-A/D-Umsetzer mittelt das Eingangsrauschen über das Messfenster. Im Scan-Modus überwacht der A/D-Umsetzer kontinuierlich die differenzielle Messspannung, die Versorgungsspannung oder die positive Messspannung und erzeugt die A/D-Umsetzer- Eingangsspannung sequenziell mit einer Auflösung von 25 µV, bzw. 25 mV und 0,5 mV. Der interne A/D-Umsetzer kann wahlweise in einem kontinuierlichen Scan-Modus oder in einem Schnappschussmodus betrieben werden. Im Shutdown-Modus sinkt die Stromaufnahme des Chips von 900 µA auf nur noch 15 µA.