Dissolviamo le incertezze attorno al tracciamento di livelli multipli di corrente

Nei sistemi a batteria che utilizzano più sensori di corrente, i power monitor multicanale  saranno di aiuto per i progettisti nel ridurre al minimo il consumo del sistema e la complessità del codice.

Più specificamente, descriveremo come la scelta di un dispositivo multicanale consentirà di risparmiare il 38%, o più, dei consumi sulla misura della potenza rispetto al riutilizzo di un dispositivo a canale singolo. Inoltre, le attività di monitoraggio dell’alimentazione gestite dal processore host possono essere messe in modalità sleep, lasciando più potenza di elaborazione rimanente a disposizione per le altre attività.

Purtroppo, è necessario un accordo iniziale sulla terminologia. E’ ampia la fraseologia  utilizzata per riferirsi a questa categoria di dispositivi. Alcuni li conoscono come sensori di corrente high-side, alcuni li conoscono solo come sensori di corrente, altri ancora li conoscono come power monitor IC.
I dispositivi a cui si fa riferimento hanno un’interfaccia digitale, gli ingressi possono essere collegati direttamente a rail di tensione superiori a 5 V e misurano corrente, tensione e potenza attraverso una resistenza di rilevamento. Essere in grado di connettersi a tensioni più elevate è un vantaggio intrinseco di questi monitor di potenza. Alcuni monitor di potenza possono accettare tensioni fino a 100 V, mentre altri dispositivi mid-range possono accettare solo fino a 32 V. Pertanto, i dispositivi aiutano ad evitare i componenti esterni, diversamente necessari in applicazioni ad alta tensione.

La Figura 1 mostra un semplice schema, di aiuto nell’illustrare la categoria. ADI (Maxim, LT), TI, Renesas (Intersil) e Microchip, hanno tutti dispositivi in questa categoria. In Maxim questi dispositivi sono noti come sensori di corrente con uscite digitali. Tuttavia, nel sito web ADI questi dispositivi sono noti come power monitor. La coerenza della terminologia continua con TI e Microchip che chiamano questi dispositivi monitor di corrente/tensione/potenza.

 

Host Processor e Analog Current Sensor

Ora che ci siamo lasciati alle nostre spalle la questione terminologia, passiamo in rassegna gli aspetti positivi di questi dispositivi e come sia possibile risparmiare energia con le versioni multicanale. A partire da un processore host che ha ADC integrati, l’host è costantemente alimentato per misurare un sensore di corrente posizionato altrove sulla scheda. Se il sistema è costituito solo da 5V su tensioni di alimentazione inferiori, per misurare la potenza assorbita da un sistema possono essere necessari semplici amplificatori operazionali e resistenze. Per ridurre la potenza assorbita dal sistema e associata al monitoraggio, è possibile implementare il polling periodico. Tuttavia, ciò non risolve il problema critico delle power rail che necessitano di una gestione più attiva. Questa gestione può essere posta in atto per misurare e ottimizzare l’efficienza energetica o per prevedere la durata residua della batteria. In entrambi i casi, se fosse disponibile un sensore di corrente indipendente con limitazioni per la capacità di interrupt, il processore host potrebbe rimanere in uno stato a minore consumo molto più a lungo. Pertanto, una carenza del processore host “always on” può essere riscontrata nelle applicazioni in cui sia necessario un monitoraggio dei rail critici.

Un’altra carenza di molti processori host è la necessità di componenti di protezione quando devono essere collegati a rail con tensione superiore a 5 V, il che ci porta ad un vantaggio associato ai sensori di corrente high-side. Per ora, considereremo solo il sensore di corrente high-side analogico. Questi sensori di corrente sono offerti in tensioni common mode fino a oltre 100V. Questi dispositivi possono collegarsi direttamente ai rail con le tensioni più elevate ed evitare così la necessità di componenti esterni di protezione. Inoltre, i dispositivi forniscono ancora segnali al controller host che indicano la corrente e la potenza nel sistema.

Infatti, poiché l’argomento di discussione è il monitoraggio della potenza a più canali, va notato che anche i sensori di corrente analogici sono disponibili in più opzioni di canale. Qui, il consumo di potenza attiva dei sensori di corrente analogici è normalmente in linea con quello di un singolo dispositivo moltiplicato per il numero di canali. Vale a dire che un sensore di corrente analogico a singolo canale, come l’INA290, ha una corrente di quiescenza massima di 600 uA, mentre la versione doppia nella stessa famiglia, l’INA2290, ha una corrente di quiescenza di 1200 uA per le stesse condizioni operative.

Power Monitor IC

Il che ci porta al tema del  power monitor IC che è un dispositivo mixed signal. La sezione seguente di questo articolo mostrerà i modi in cui un power monitor migliora un sistema che utilizzi host controller “always on” e sensori di corrente analogici.

Innanzitutto, i power monitor  calcolano il consumo energetico on-chip indipendentemente dall’host controller. Utilizza gli stessi metodi di un amplificatore analogico di rilevamento di corrente e va oltre avendo integrato un ADC e un moltiplicatore per ottenere una rappresentazione digitale della potenza. Questo valore digitale può quindi essere reso disponibile in un registro tramite un’interfaccia digitale; viene quindi fornito un calcolo della potenza digitale. Di conseguenza, l’host processor di sistema:

• Consente di evitare sovraccarico del software, tempo di sviluppo e complessità del codice associati al monitoraggio di uno o più sensori di corrente analogici
• Consente di risparmiare tempo nella modalità awake, mentre il sensore accumula dati

 

In secondo luogo, un vantaggio accessorio del power monitor è che riduce i requisiti in termini di pin sull’host tramite un bus di comunicazione condiviso. Molti sensori general-purpose utilizzano interfacce condivise in modo che questi bus possano essere condivisi con altri power monitor aggiuntivi, sensori di temperatura, memoria e altro ancora. Lo stesso non vale però per più sensori di corrente analogici, che richiedono pin aggiuntivi sull’host. Inoltre, questo significa anche più GPIO per utilizzo general-purpose.

In terzo luogo, i power monitor permettono di risparmiare sui consumi dell’host consentendo al sistema di attendere un alert anziché eseguire un polling per una lettura. Durante questo periodo di attesa, l’host può scegliere di rimanere in modalità inferiore, sleep o standby per risparmiare una quantità di carica maggiore della batteria di sistema, mentre il power monitor supervisiona la tensione dei rail critica per le escursioni.

Minore consumo con i Multiple Channel Power Monitor

Infine, questo ci porta al tema dei power monitor multicanale. Ci sono parecchie aziende che hanno una loro offerta in questa categoria, compresa Microchip. Ciò che distingue questi  power monitor multicanale dai dispositivi a canale singolo è la capacità di creare un’architettura di campionamento e reporting round robin che consente un consumo di sistema minore. La maggior parte delle aziende utilizza architetture simili, quindi condivideremo l’architettura Microchip del PAC1954 per illustrare questo punto.

Si noti che il dispositivo PAC1954 ha un singolo ADC per la misura Vsense. Questo blocco funzionale è multiplexato per misurare ed eseguire un report della tensione Vsense dalle quattro resistenze di rilevamento nel sistema. Di conseguenza, questa architettura ha un minore consumo di quiescenza rispetto a quella con quattro sensori di corrente separati.

 

Ad esempio, se confrontiamo la corrente massima di quiescenza rilevata da un sensore di corrente a quattro canali di una azienda concorrente con un power monitor a canale singolo di alta qualità, possiamo vedere il vantaggio intrinseco di utilizzare un ADC per un dispositivo a quattro canali. Il dispositivo concorrente ha un consumo di 450 uA max a 85°C per 4 canali di misura e una risoluzione di 16 bit.  Il power monitor consuma 400 uA max per una risoluzione di 16 bit e solo un canale di misura, o 1600 uA.

Lo stesso calcolo può essere eseguito con quest’ultimo dispositivo Microchip. Prendiamo un doppio power monitor, il PAC1952, con una corrente di quiescenza massima di 495 uA a 125°C. Rispetto ai dispositivi concorrenti a 800 uA, si nota un risparmio energetico dei sistemi di 1 – (495/800) = 38% relativamente alla misurazione della potenza.