Tegyünk rendet a többszintű áramfigyelő rendszerek zűrzavarában!

Bizonyos alkalmazásoknál – mint egy űreszközben is – a tápenergia nagyon korlátozott mennyiségben áll rendelkezésre. Gazdálkodni kell tehát vele, ami az egyes részegységek fogyasztásának egyedi mérését is igényli. Ám maga az energiafelügyeleti rendszer is energiát fogyaszt, amely a teljes rendszer energiamérlegében is megjelenik. A cikk arra mutat rá, hogyan lehet ezt alkalmasan megválasztott céleszközök segítségével optimalizálni.

Az olyan teleptáplálású rendszerekben, amelyekben egynél több áramérzékelőt vagy fogyasztásmérőt használnak, többcsatornás energiafelügyeleti áramkörökkel lehet minimalizálni a mérőrendszer saját energiafogyasztását és a feldolgozó szoftverkód bonyolultságát. Egy kicsit pontosabban: megmutatjuk, hogyan lehet egy többcsatornás mérőeszköz választásával 38 százalékos megtakarítást elérni a mérőrendszer sajátfogyasztásában a több egycsatornás mérőeszközzel megvalósított megoldáshoz képest. Ezenkívül az energiafelügyeleti tevékenységet a hosztprocesszorról kiszervezve az akár alvó üzemmódba is kapcsolható, vagy legalábbis több számítási kapacitás marad szabadon elérhető más tevékenységek számára.
Mielőtt azonban ehhez hozzáfognánk, sajnos azzal is kell foglalkoznunk, hogy megállapodjunk egy egyértelmű fogalomhasználatban, ugyanis erre az eszközkategóriára számos különböző kifejezést használnak. Vannak, akik magas oldali áramérzékelőként (high side current sensor), mások áramérzékelőként, megint mások pedig teljesítményfigyelő (power monitor) vagy energiamonitor IC-ként ismerik őket. A cikk fókuszában szereplő eszközök digitális interfésszel rendelkeznek, a bemenetek közvetlenül csatlakoztathatók az 5 V feletti feszültségsínekhez, és az áramot, a feszültséget, valamint a teljesítményt egy érzékelő-ellenállás közbeiktatásával mérik. Jelentős előny, ha ezek az energiafelügyeleti eszközök magasabb feszültségszintekhez is csatlakoztathatók. Egyes energiafelügyeleti eszközök akár 100 V feszültséget is képesek fogadni, míg más – középkategóriás – eszközök csak 32 V-ot. Mint ilyenek, ezek az eszközök segítenek abban, hogy a nagyfeszültségű alkalmazásokhoz további külső alkatrészekre ne legyen szükség.
Az 1. ábra egy egyszerű kapcsoláson át segít megérteni ennek az eszközkategóriának a sajátosságait. Az Analog Devices Inc., (korábban mint Maxim és Linear Technology), a Texas Instruments, a Renesas (korábban mint Intersil) és a Microchip¹ is egyaránt forgalmaznak termékeket ebben a kategóriában. A Maxim neve alatt megismert ilyen eszközöket digitális kimenetű áramérzékelőkként (digital output current sensor) említik. Ugyanakkor az Analog Devices Inc. honlapján ugyanezeket az eszközöket „power monitor” néven találjuk meg. Az elnevezések rendszere egységesebb a Texas Instruments és a Microchip dokumentumaiban, ahol ezeket áram/feszültség/teljesítményfelügyeleti eszközök (current/voltage/power monitor) néven említik². 

1. ábra

Hosztprocesszorok és analóg áramérzékelők

Most, hogy túl vagyunk a nevezéktani kérdéseken, tekintsük át ezeknek ez eszközöknek a kedvező tulajdonságait és azt, hogyan tudunk velük energiát megtakarítani a többcsatornás változatok alkalmazásával. Ha olyan hosztprocesszorból indulunk ki, amely integrált AD-átalakítót is tartalmaz, a hoszt folyamatosan el van látva energiával, egyebek közt ahhoz is, hogy rendszeresen mérjen egy – az áramköri lapon másutt elhelyezett – áramérzékelőből származó analóg jelet. Ha a rendszer csak egyetlen 5 V-os tápsínt tartalmaz, akkor az alacsonyabb érzékelőfeszültségek miatt egy egyszerű műveleti erősítő és néhány ellenállás minden, ami ahhoz szükséges, hogy a rendszer energiafogyasztását mérni tudjuk. Ahhoz, hogy az energiafelügyelet megvalósításának sajátfogyasztása minimális legyen, egy periodikus lekérdezési ütemezést érdemes megvalósítani. Ezzel viszont nem lehet kezelni a kritikus táp­feszültségellátó sínek problémáit, amelyekhez aktívabb közreműködésre van szükség. Az ilyenféle felügyeleti tevékenységre például akkor lehet szükség, ha mérni és optimalizálni kívánjuk az energiafelhasználás hatásfokát, esetleg meg akarjuk határozni a működéshez még elegendő, maradék energiát az akkumulátoros energiatárolóban. Mindkét esetben, ha egy korlátozott képességű, de programmegszakításra alkalmas, független áramérzékelő állna rendelkezésre, a hosztprocesszor sokkal tovább maradhatna alacsony teljesítményfelvételű üzemállapotban – ilyen esetekben viszont a kritikus tápsínfelügyeletet igénylő alkalmazások éreznék meg a folyamatosan működő, állandóan elérhető hosztprocesszor hiányát. Számos hosztprocesszor esetén felmerül egy másik hiányosság az olyan alkatrészek védelménél, amelyek 5 V-nál magasabb feszültségű tápsínekre csatlakoznak, és amelyeknél a felsőoldali áramérzékelők alkalmazásával járó előnyöket célszerű kihasználni. Itt és most csak a teljesen analóg megoldású, felsőoldali áramérzékelőket vegyük tekintetbe. Az ilyen áramérzékelők akár 100 V-os vagy nagyobb közös feszültséggel lehetnek igénybe véve. Ezek az eszközök közvetlenül csatlakoztathatók a magasabb feszültségű tápsínekhez, és nincs szükségük külső védelmi eszközök beépítésére sem. Ráadásul az eszközök továbbra is képesek olyan jeleket szolgáltatni a hosztvezérlő részére, amelyek a rendszerre jellemző áramokat és teljesítményeket reprezentálják.
Valójában – mivel a jelen cikk tárgya a többcsatornás energiafelügyelet – meg kell jegyeznünk, hogy még az analóg áramérzékelők is léteznek többcsatornás változatokban. Ilyen esetekben a többcsatornás analóg áramérzékelők aktív energiafogyasztása nagyjából azonos az egycsatornás áramérzékelők fogyasztásának és a csatornaszámnak a szorzatával. Ez azt jelenti, hogy egy egycsatornás analóg áramérzékelő, például az INA290 maximális nyugalmi árama 600 µA, míg az ugyanabba a családba tartozó kettős változat, az INA2290 nyugalmi áramfelvétele azonos működési feltételek mellett 1200 µA.

Energiafelügyeleti integrált áramkörök

Ezzel eljutottunk az energiafelügyeleti integrált áramkör témájához, amely egy kevert jelű jelfeldolgozó eszköz. A következő fejezet megmutatja a különféle módokat, amelyek révén az energiafelügyeleti eszköz képes meghaladni azt a rendszertechnikai szolgáltatást, amit egy állandóan bekapcsolt hosztvezérlővel és analóg áramérzékelőkkel érhetnénk el.
Először is, az energiafelügyeleti eszközök képesek a hosztvezérlőtől függetlenül, önállóan kiszámítani a teljesítményfelvételi értékeket. Áramérzékelésre ugyanazokat az áramköri megoldásokat használják, mint az analóg áramérzékelő erősítők. A jelfeldolgozási lánc egy integrált AD-átalakítóval folytatódik, és egy hardverszorzó állítja elő a teljesítmény digitális reprezentációját a mért érték felhasználásával. Ezt a digitális értéket lehet elérhetővé tenni egy regiszteren és egy digitális interfészen keresztül, miután a digitális teljesítményszámítás már megtörtént. Ennek eredményeképpen

• megtakarítjuk a szoftver-háttérfeldolgozást, csökken a fejlesztési idő és az egy vagy több áramérzékelő csatorna felügyeletét ellátó szoftver kódjának bonyolultsága,
• csökken a rendszer felébresztett állapotban töltött ideje, amíg a szenzor összegyűjti a feldolgozásra szánt adatokat.

Másodszor, az energiafelügyeleti eszközök használatának egyik járulékos előnye az is, hogy csökkenti a hosztprocesszor kivezetés­számára vonatkozó igényt azáltal, hogy az utóbbi az energiafelügyelettel csak egy megosztott kommunikációs buszon keresztül kommunikál. Sok általános célú érzékelő-áramkör rendelkezik ilyen megosztható, univerzális interfésszel, amelyekre az energiafelügyeleten kívül további energiafelügyeleti áramkörök, hőmérsékletszen­zo­rok, memóriaelemek és még sok más rendszerelem csatlakoztat­ha­tó – ellentétben a többcsatornás analóg áramérzékelőkkel, amelyek csatornánként egy csatlakozópontot igényelnek a hoszt­processzoron. Ez egyben azt is jelenti, hogy több általános célú be- és kimeneti csat­lakozópont (GPIO) marad egyéb célú használatra.
Harmadszor, az energiafelügyeleti áramkörök azzal is megtakarítást tesznek lehetővé a hosztprocesszornál, hogy az utóbbinak csak egy, a felügyeleti eszközből érkező értesítésre kell várnia ahelyett, hogy ismételten lekérdezné azt arra nézve, hogy van-e benne feldolgozásra kész adat. Az értesítésre várakozás közben a hoszt alacsonyabb teljesítményfelvételű alvó, vagy készenléti állapotba kapcsolhat, amellyel további energiamegtakarítás érhető el, miközben a kritikus fontosságú tápsíneken zajló folyamatokat az energiafelügyeleti áramkör kíséri figyelemmel.

Kisebb összes energiafogyasztás a többcsatornás energiafelügyeleti áramkörökkel

Végül ez vezet el minket a többcsatornás energiafelügyeleti áramkörökhöz. Van néhány cég – a Microchipet is beleértve –, amelynek vannak e kategóriába sorolható termékei. A közös jellemző, amely megkülönbözteti ezeket az egycsatornás eszközöktől, az, hogy a többcsatornás eszközök képesek egy körforgó (round robin) mintavételező és jelentésközlő működési módra, amely összességében az energiafelügyeleti rendszer alacsonyabb energiafogyasztását eredményezi. A legtöbb cég terméke hasonló felépítésű, amelyet itt a Microchip PAC1954 integrált eszközének a felépítésével (2. ábra) szemléltetünk.

2. ábra

Vegyük észre, hogy a PAC1954 eszköz egyetlen AD-konvertert használ a V_sense feszültség mérésére. Ez a funkcionális egység multiplexelt bemenettel rendelkezik ahhoz, hogy négy érzékelő­-ellenálláson mérje a V_sense feszültséget a rendszer különböző pontjain. Ennek az eredménye, hogy kisebb a nyugalmi áram, mint amennyit egy négy külön áramérzékelőre épülő rendszer fogyasztana.
Például, ha összehasonlítjuk egy versenytárs négycsatornás áramérzékelő termékének maximális nyugalmi áramfelvételét egy jóminőségű egycsatornás energiafelügyeleti eszközével, láthatóvá válik az az előny, ami az egyetlen AD-konverter alkalmazásával jár egy négycsatornás eszközben. A versenytárs eszköz maximális áramfelvétele 85 ˚C-nál 450 µA, ha mind a négy csatorna működik, 16 bites felbontással. Az egycsatornás energiafelügyeleti eszköz 400 µA-t fogyaszt 16 bites felbontásnál, és ha ezzel valósítjuk meg négy csatorna mérését, akkor már 1600 µA a teljes áramfelvétel.
Ugyanezt a számítást elvégezhetjük a legújabb Microchip eszközre vonatkoztatva is. Vizsgáljuk meg itt most egy kétcsatornás energiafelügyeleti eszköz, a PAC1952 tulajdonságait, amelynek maximális nyugalmi áramfelvétele 495 µA 125 ˚C hőmérsékleten. Ezt egy azonos funkciójú analóg eszközzel, egy 800 µA áramfelvételű áramkörrel összehasonlítva 1 - (495)/800, azaz 38%-kal kevesebb energiafogyasztásba kerül az egyedi teljesítménymérő megoldásokhoz képest.

Összefoglalás

Számos érvet lehet felsorakoztatni a többcsatornás energiafelügyeleti integrált áramkörök használata mellett:

• Csökkenti a szükséges szoftver-háttérszámítások mennyiségét, a fejlesztéshez szükséges időt és a programkód bonyolultságát.
• Számottevő időt takarít meg abból, amit az eszközök „éber”, nagy fogyasztású állapotban töltenek, miközben összegyűjtik az adatokat.
• Csökkenti a hosztprocesszor szükséges kivezetésszámát, vagy hosztprocesszor-csatlakozópontokat szabadít fel más GPIO-t igénylő megoldások számára.
• Csökkenti a hosztprocesszor energiafogyasztását azáltal, hogy annak csak megfelelő értesítésre kell felébrednie ahelyett, hogy folyamatos, energiaigényes lekérdezéssel szerezné meg a mért fogyasztási adatokat.

Megállapíthatjuk, hogy mérhető energiamegtakarítás érhető el a többcsatornás energiamonitorok használatával az egycsatornásakkal szemben. Amint ez több beszállító több termékénél is kimutatható, az osztott AD-konverter használatával akár 38%-kal kevesebb energiafelhasználással is megoldható a többsínes tápellátó rendszerek energiafelügyelete.

Jegyzetek

¹ A Microchip név és logó és a Microchip logó a Microchip Technology Incorporated bejegyzett védjegyei az U.S.A.-ban és más országokban. Minden más védjegy a bejegyzett birtokosának a tulajdona. © 2023 Microchip Technology Inc. All rights reserved.
² A szerző által említett terminológiai „zűrzavart” csak tovább fokozza, ha kifejező magyar for­dítást kívánunk találni ezekre a fogalmakra: közismert például, hogy az angol „power” szót minden esetben csak a szövegösszefüggés ismeretében lehet egyértelműen fordítani. A jelen cikkben azzal kívánjuk elkerülni a terminológiai bizonytalanságot, hogy az egy- vagy többcsatornás, de mindenképpen csak egy (többcsatornás kivitelben multiplexelt bemenetű) AD-konvertert tartalmazó és a hoszttal szabványos digitális interfészen keresztül kommunikáló eszközöket – tekintettel arra, hogy a központi probléma ilyen esetekben túlnyomó részt nem a feszültség, az áram vagy a teljesítmény, hanem a korlátozott mennyiségű energia – következetesen „energiafelügyeleti eszközökként” igyekszünk említeni. (A ford. megj.)

www.microchip.com