Mehrkanal-Leistungsmonitor

Mehrere Strompegel einfach und bequem überwachen

20. November 2022, 9:45 Uhr | Von Mitch Polonsky, Senior Product Marketing Manager für Mixed Signal Linear Products bei Microchip Technology
Microchip Technology
Bild 1: Prinzip der Bausteinkategorie Strom-/Spannungs-/Leistungsüberwachungs-ICs
© Microchip Technology

In batteriegestützten Systemen, die mehr als einen Stromsensor oder Leistungsmonitor verwenden, helfen Mehrkanal-Leistungsmonitore, den Stromverbrauch des Systems und die Code-Komplexität zu minimieren.

Bei der Leistungsmessung mithilfe von Stromsensoren lassen sich durch die Wahl eines Mehrkanal-Bausteins im Vergleich zu einem Einkanal-Baustein 38 Prozent oder mehr Energie einsparen. Darüber hinaus können die vom Host-Prozessor durchgeführten Leistungsüberwachungsaktivitäten in den Ruhezustand versetzt werden, sodass mehr Verarbeitungsleistung für andere Aktivitäten zur Verfügung steht. Wie das möglich ist, beschreibt dieser Artikel.

Zuerst ist allerdings eine einheitliche Nomenklatur erforderlich, denn es gibt verschiedene Bezeichnungen für diese Bausteinkategorie. Einige kennen sie als High-Side-Stromsensoren, andere als Stromsensoren und wieder andere als Leistungsüberwachungs- bzw. Leistungsmonitor-IC. Die genannten Bausteine verfügen über eine digitale Schnittstelle; die Eingänge lassen sich direkt an Spannungsschienen mit 5 V anschließen, und sie messen Strom, Spannung und Leistung über einen Messwiderstand. Die Möglichkeit des Anschlusses an höhere Spannungen ist ein inhärenter Vorteil dieser Leistungsmonitore. Einige dieser Bausteine können Spannungen bis zu 100 V verarbeiten, während andere Bausteine der mittleren Leistungsklasse nur bis zu 32 V akzeptieren. Damit können manche dieser Bausteine auch dabei helfen, externe Komponenten zu vermeiden, die für High-Voltage-Anwendungen benötigt werden.

Bild 1 zeigt ein einfaches Diagramm, um diese Bausteinkategorie zu erklären. ADI (Maxim, LTC), TI, Renesas (Intersil) und Microchip bieten alle Bausteine in dieser Kategorie an. Bei Maxim werden diese Komponenten als Stromsensoren mit digitalen Ausgängen bezeichnet. Bei ADI wiederum heißen sie Leistungsmonitore (Power Monitor). Sowohl TI als auch Microchip bezeichnen sie als Strom-/Spannungs-/Leistungsüberwachungs-ICs, was die Konsistenz der Nomenklatur weiter verbessert.

Host-Prozessoren und
Analog-Stromsensoren

Nun zu den positiven Aspekten dieser Bausteine und zu der Frage, wie mit den Mehrkanalversionen Strom gespart werden kann. Bei einem Host-Prozessor mit integrierten A/D-Wandlern wird dieser ständig mit Strom versorgt, um einen an anderer Stelle auf der Platine platzierten Stromsensor abzufragen. Besteht das System bei niedrigeren Versorgungsspannungen nur aus 5 V, reichen einfache Operationsverstärker und Widerstände aus, um die Leistung eines Systems zu messen. Um die mit der Überwachung verbundene Systemleistung zu senken, ließe sich ein periodisches Abfragen (Polling) implementieren. Allerdings wird mit diesem Ansatz das Problem kritischer Stromschienen, die ein aktiveres Management erfordern, nicht angegangen. Dieses aktivere Management kann dazu dienen, die Energieeffizienz zu messen und zu optimieren oder die verbleibende Batterielebensdauer zu ermitteln. In jedem Fall könnte der Host-Prozessor viel länger in einem stromsparenden Zustand verbleiben, wenn ein unabhängiger Stromsensor mit Grenzwerten für die Interrupt-Fähigkeit zur Verfügung stünde. Daher stellt der »Always-on«-Host-Prozessor in Anwendungen, in denen eine kritische Schienenüberwachung erforderlich ist, einen echten Nachteil dar.

Ein weiteres Manko vieler Host-Prozessoren besteht darin, dass Schutzkomponenten erforderlich sind, wenn sie an Schienen mit Spannung über 5 V angeschlossen werden sollen. Und damit kommen wir zum Vorteil der High-Side-Stromsensoren. Betrachten wir zunächst den rein analogen High-Side-Stromsensor: Dieser wird mit Gleichtaktspannungen bis über 100 V angeboten. Die Bausteine können direkt an Schienen mit höherer Spannung angeschlossen werden, sodass keine externen Schutzkomponenten erforderlich sind. Außerdem liefern sie ständig Signale an den Host Controller, die den Strom und die Leistung im System darstellen.
Für die mehrkanalige Leistungsüberwachung sind die analogen Stromsensoren auch in mehrkanaligen Optionen erhältlich. Dabei entspricht deren Versorgungsstrom dem Wert eines Einkanalbausteins mal der Anzahl der Kanäle.

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