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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

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Leistungsüberwachungs-ICs

Bei Leistungsüberwachungs-ICs handelt es sich um Mixed-Signal-Bausteine. Diese Leistungsmonitore können das System gegenüber dem Ansatz mit »Always-on« Host Controller und Analog-Stromsensoren in mehreren Punkten verbessern.

Erstens berechnet der Leistungsmonitor den Stromverbrauch auf dem Chip, unabhängig vom Host Controller. Er verwendet immer noch die gleichen Methoden eines analogen Strommessverstärkers und geht dann noch weiter, indem er über integrierten A/D-Wandler und Multiplikator verfügt, um eine digitale Darstellung des Leistungsverbrauchs zu erhalten. Dieser Digitalwert kann dann in einem Register über eine digitale Schnittstelle zur Verfügung gestellt werden; somit ist eine digitale Leistungsberechnung möglich. Das Ergebnis ist, dass der Host-Prozessor des Systems

Software-Overhead, Entwicklungszeit und Code-Komplexität im Zusammenhang mit der Überwachung eines oder mehrerer analoger Stromsensoren einspart und
Zeit im aktiven Zustand einspart, während der Sensor Daten sammelt.

Zweitens: Ein zusätzlicher Vorteil des Leistungsmonitors besteht darin, dass die Pin-Anforderungen an den Host dank eines gemeinsamen Kommunikationsbusses verringert werden. Viele Allzwecksensoren nutzen gemeinsam genutzte Schnittstellen, sodass diese Busse mit zusätzlichen Leistungsmonitoren, Temperatursensoren, Speicher und anderem gemeinsam genutzt werden können. Das Gleiche gilt nicht für mehrere Analog-Stromsensoren, die zusätzliche Pins am Host erfordern. Das bedeutet also, dass mehr GPIOs für allgemeine Zwecke zur Verfügung stehen.

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Drittens reduzieren Leistungsmonitore den Stromverbrauch des Host, da das System auf einen Alarm warten kann, anstatt mithilfe von Polling einen Messwert abzufragen. Während dieser Wartezeit kann der Host in einen stromsparenden Sleep- oder Standby-Zustand übergehen, um die Batterie zu schonen, während der Leistungsmonitor kritische Spannungsschienen auf Abweichungen überwacht.

Weniger Stromverbrauch
mit Mehrkanal-
Leistungsmonitoren

Dies bringt uns schließlich zum Thema der Mehrkanal-Leistungsmonitore. Es gibt mehrere Anbieter dieser Produktkategorie, einschließlich Microchip. Was diese Mehrkanal-Leistungsüberwachungs-ICs von Einkanal-Bausteinen unterscheidet, ist die Fähigkeit, eine Round-Robin-Sampling- und Berichtsarchitektur zu erzeugen, die wenig Strom verbraucht. Die meisten Anbieter nutzen ähnliche Architekturen; hier werden die Vorteile anhand des PAC1954 von Microchip erklärt (Bild 2). Der PAC1954 ist mit nur einem A/D-Wandler zur Messung von »Vsense« ausgestattet. Dieser eine Funktionsblock wird gemultiplext, um die Vsense-Spannung von vier Messwiderständen im System zu messen und zu melden. Daher ist für diese Architektur weniger Ruhestrom erforderlich als bei vier separaten Stromsensoren.

Vergleicht man beispielsweise den maximalen Ruhestrom eines vierkanaligen Stromsensors eines Mitbewerbers mit dem eines hochwertigen Einkanal-Leistungsmonitors, lässt sich der eindeutige Vorteil des integrierten A/D-Wandlers für einen 4-Kanal-Baustein erkennen. Der Baustein des Wettbewerbers verbraucht maximal 450 µA bei 85 °C für vier Messkanäle und 16 bit Auflösung. Der Leistungsmonitor verbraucht maximal 400 µA bei 16 bit Auflösung und nur einem Messkanal, also insgesamt 1600 µA. Die gleiche Berechnung lässt sich mit dem neuesten Baustein von Microchip durchführen. Der 2-Kanal-Leistungsmonitor PAC1952 weist einen maximalen Ruhestrom von 495 µA bei 125 °C auf. Im Vergleich zu anderen Bausteinen mit 800 µA ergibt sich eine Stromeinsparung von 1 – (495/800) = 38 Prozent in Bezug auf die Leistungsmessung.

Fazit

Es gibt also viele Gründe für den Einsatz eines Mehrkanal-Leistungsüberwachungs-ICs; dazu zählen:

Spart Software-Overhead, Entwicklungszeit und Code-Komplexität.
Spart Zeit im aktiven Zustand, während der Sensor Daten sammelt.
Reduziert die benötigte Anzahl der Pins am Host oder gibt die vorhandenen Host-Pins für mehr GPIOs frei.
Spart Strom auf der Seite des Host, da Alarme zum Aufwecken des Systems verwendet werden, anstatt Messwerte für Abweichungen abzufragen (Polling).

Vor allem aber ergibt sich eine messbare Energieeinsparung, die mit Mehrkanal-Leistungsmonitoren anstelle von Einkanal-Varianten einhergeht.
Wie sich anhand von Bauteilen verschiedener Hersteller zeigt, ermöglicht eine Architektur mit einem gemeinsam genutzten A/D-Wandler eine Stromeinsparung von bis zu 38 Prozent in Verbindung mit der Leistungsüberwachung der Spannungsschienen eines Systems. (