Energiezähler in Echtzeit
Integrierte Leistungsmessung
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Übertragung an den Host
Nach einem I²C/SMBus-Befehl vom Host überträgt der Baustein die aufaddierten Leistungsmesswerte sowie die Anzahl der Messungen an einen für den Host zugänglichen Registersatz. Diese Übertragung erfolgt ohne Messverluste und erlaubt dem Host zu jeder beliebigen Zeit die Werte abzurufen. Bei Normalbetrieb misst der MAX34407 mit einer Geschwindigkeit von 1024 Messungen pro Sekunde. Da die Akkumulierungstiefe 48 bit beträgt, die einzelnen Messwerte aber 28 bit lang sind, können 220 Messwerte gespeichert werden, bevor der Host-Controller die Daten auslesen muss:
Sobald der Host kumulierte Energie- und Zählerwerte erhält, berechnet er mit einer einfachen Formel die Durchschnittsleistung an der Last. Dadurch muss der Host-Prozessor nicht kontinuierlich die Leistung messen und kumulieren, sondern steht für wichtigere Aufgaben zur Verfügung. Die kumulierten Leistungsdaten werden vom Host-Prozessor mit einem Skalierfaktor umgewandelt. Der Skalierfaktor wird mit den folgenden Konstanten und Gleichungen ermittelt; hierbei ist PACC der kumulierte Leistungswert und COUNT ist die Gesamtzahl der Leistungsmessungen.
MAX34407, spezifische Konstanten:
- Spannungsvollausschlag, UFS = 16 V
- Stromvollausschlag, USENSE = 100 mV
- Leistungskumulierte Wortlänge, 28 bit
Skalierfaktor:
- Stromvollausschlag, IFS = USENSE/RSENSE
- Leistungsskalenkorrektur, PSCALE = UFS × IFS
- Das »Least Significant Power Bit«, PLSB = PSCALE/228
Berechnung der Durchschnittsleistung:
Dieses Beispiel zeigt die Umwandlung der aufaddierten Werte in die Durchschnittsleistung während der gegebenen Zeit unter Einsatz des MAX34407. Energiezähler arbeiten mit unterschiedlichen Funktionen und Operationen, daher sind die spezifischen Leistungsmerkmale eines jeden Energiezählers zu berücksichtigen.
Messung des IC-Einzelwirkungsgrads
Mit einem Energiezähler an mehreren Versorgungsspannungen, können Messungen des Wirkungsgrads mit nur diesem einen Baustein durchgeführt werden. Der Wirkungsgrad ist eine der wichtigsten technischen Angaben jedes Spannungswandlers. Sobald ein Design fertig ist, haben weder der Designer noch der Endanwender Zugriff auf die Messdaten des Echtzeit-Wirkungsgrads eines Schaltreglers, der sich im Laufe der Zeit und je nach den Betriebsbedingungen ändert. Komponenten-Drift, Lastbedingungen und Umweltfaktoren wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit beeinflussen den Wirkungsgrad des Schaltreglers. Eine Methode zur Überwachung des Schaltregler-Wirkungsgrads in Echtzeit ist daher ausgesprochen wertvoll.
Da der MAX34407 die Leistung auf mehreren Schienen kumuliert, kann der Wirkungsgrad durch Kumulierung der Leistung am Eingang (PIN) und am Ausgang (POUT) eines Schaltreglers gemessen werden. Das Ergebnis dieser beiden Messungen kann zur Berechnung des Wirkungsgrads entsprechend der folgenden Formel an einen Mikroprozessor gesendet werden:
Bild 2 zeigt eine typische Schaltung zur Messung des Wirkungsgrads des Abwärtswandlers MAXM17504 mit dem Energiezähler MAX34407. Diese Schaltung könnte zum Beispiel für eine 12-V-Solarpanel-Anlage eingesetzt werden, bei der der primäre Umrichter in der Regel einen MPPT-Algorithmus (Maximum Power Point Tracking) enthält. Durch Messung des Wirkungsgrads in Echtzeit erhält man eine Rückmeldung für die Performance des MPPT-Algorithmus. Auf diese Weise kann das System oder der Entwickler, basierend auf den Messungen in der Schaltung, den MPPT-Algorithmus optimieren. Der Eingangsspannungsbereich für den MAXM17504 liegt bei 12 V ±10 %, das passt zum Gleichtaktspannungsbereich von +2,7 V bis 15 V des MAX34407. Der Vollausschlag des Strommessverstärkers beträgt 100 mV, sodass zur Begrenzung des Eingangsstroms auf maximal 2 A ein Widerstand von 50 mΩ am Eingang und zur Begrenzung des Ausgangsstroms auf maximal 4 A ein Widerstand von 25 mΩ am Ausgang verwendet wurde.
- Integrierte Leistungsmessung
- Übertragung an den Host
- Vergleich mit einer konventioneller Messung
- Platinenüberwachung
- Überlegungen zu Layout und Filterung
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