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Bild 1: Leistungsüberwachung bei mehreren Peripheriegeräten (Bild: Maxim Integrated)

Eckdaten

Dieser Beitrag beschreibt verschiedene Techniken zur Akku-Überwachung, speziell mit Fokus auf die hierfür notwendigen Messungen der Subsystem-Stromversorgungen, die ein abruptes Abschalten mobiler Geräte verhindern. Er stellt eine spezielle Lösung mit einem Leistungswächter vor, der die Strom- und Spannungsverläufe des Akkus überwacht. Der große Speicher dieses Geräts kann den Prozessor von den zusätzlichen Aufgaben entlasten, die bei einer Leistungsüberwachung üblicherweise auftreten. Basierend auf den Leistungsdaten können Nutzer bessere Entscheidungen zur Reduzierung der Stromaufnahme treffen.

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Bild 1: Leistungsüberwachung bei mehreren Peripheriegeräten Maxim Integrated

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Bild 2: Ein Messintervall des Stroms einzelner Komponenten umfasst die zu überwachenden Deep-Sleep-, Sleep- und Standby-Modi sowie die aktiven Betriebszustände. Maxim Integrated

Tablets, Smartphones und Notebooks müssen oft mehrere Aufgaben zeitgleich erledigen und dabei Endanwendern die richtige Stromverbrauchsstrategie bieten. Das gilt auch für Wireless-Peripheriegeräte, Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI), Kameras und Sensoren. Im Laufe der Zeit stellt sich die Herausforderung, die Effizienz jeder internen Subsystem-Stromversorgung zu überwachen und zu bestimmen. Das Ziel dieser Überwachung besteht darin, die Subsystem-Stromversorgungen, die eine hohe Leistung aufnehmen, zu identifizieren und den Nutzer über den Mikrocontroller oder Prozessor zu benachrichtigen. Dementsprechend kann dieser dann die Beanspruchung des Akkus ändern (Bild 1).

Ein Leistungsüberwachungssystem besteht aus vernetzten Leistungswächtern, die in Echtzeit den Energiebedarf des Schaltkreises eines Subsystems ermitteln. Diese Akku-Überwachungsgeräte erstellen eine Momentaufnahme des Akku-Stroms, des Spannungszustands oder von beidem. Einige Überwachungsgeräte entlasten den Controller des Systems, indem sie Leistungswerte berechnen und die Ergebnisse über die Zeit speichern. Die Leistungswächter senden die Daten in jedem Fall an einen Prozessor oder Controller, damit das System oder der Nutzer mögliche Probleme erkennen kann.

Die Messung der Betriebsströme deckt auch den Sleep-Modus ab sowie Datentransfers und andere übliche Betriebsarten von Komponenten in einer Subsystem-Stromversorgung (Bild 2).

Um die Leistungsaufnahme abzuschätzen, müssen der gesamte Laststrom, die Spannung und das Lastprofil der Schaltung erfasst werden. Das beinhaltet nicht nur die Stromstärken im Sleep-Modus (im Bereich von Nano- bis Mikroampere), sondern auch Lastströme (von Milliampere bis Ampere) und kurzzeitige Strompulse (im Bereich von Mikro- bis Millisekunden).

Das geeignete Überwachungssystem

Die derzeitige Leistungsüberwachung basiert tendenziell auf einem dezentralen Controller- beziehungsweise Prozessor-Konzept, bei dem die Informationen zur Verlustleistung immer verfügbar sind. Bei dieser Grundkonfiguration sind die datenerzeugenden Überwachungsgeräte an strategischen Punkten platziert, zum Beispiel an den Stromleitern für Peripheriegeräte, an kritisch belasteten Nebenstromkreisen und anderen Bereichen. Wie in Bild 4 dargestellt, erfassen diese Überwachungsgeräte die Werte der Stromstärke (IS) und Spannung (VS), berechnen die Leistung (IS x VS), speichern die Daten über die Zeit und senden regelmäßig eine Übersicht der Daten an den zentralen Controller beziehungsweise Prozessor zurück.

Bei diesem System sind einige allgemeine Punkte von Bedeutung: Die Überwachungsgeräte führen hochpräzise Messungen aus, die Nutzern letztlich Strategien für die Verlängerung der Akkulaufzeit an die Hand geben. Diese Überwachungssysteme erfassen und berechnen die Leistungsdaten schnell und effizient.

Thema der nächsten Seite: Datenerfassung bei der Leistungsüberwachung

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Bild 3: Leistungsüberwachungsfunktion bei einer Subsystem-Stromversorgung Maxim Integrated

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Bild 4: Shunt (RSENSE) mit Kelvinkontaktierung Maxim Integrated

Am Frontend der Subsystem-Stromversorgung misst das Leistungsüberwachungssystem die Stromstärke der Subsystem-Versorgung und die Versorgungsspannung. Eine übliche Methode zur Ermittlung der Akku-Stromstärke ist die Messung über einen externen Shunt beziehungsweise RSENSE (Bild 3).

Der Leistungswächter erfasst die Versorgungsspannung der Subsystem-Stromversorgung am nichtinvertierenden Eingang der Verstärkerzelle (IN+) und die Stromstärke (IS) über einen kleinen (niederohmigen) Messwiderstand (RSENSE).

Der Messwiderstand RSENSE übersetzt den Subsystem-Versorgungsstrom in eine Spannung, die letztlich in ein Multi-Bit-Datenwort umgewandelt wird.

Die Größe des Messwiderstands berechnet sich gemäß der Gleichung:

Allegro Gleichung 1

Wobei VSENSE die Eingangsspannung zum Leistungswächter bezeichnet und FSC der maximale Strom ist. Gemäß der Gleichung wäre für einen FSC-Wert von 1 A und einer Spannung VSENSE von 100 mV ein Widerstand mit 100 mΩ geeignet. Messwiderstände in dieser Größenordnung sind am Markt verfügbar, aber es ist zu beachten, dass bei dieser empfindlichen Messung der Widerstand der PCB-Leiterzüge eine Fehlerquelle darstellen kann. So erhöht hier jedes zusätzliche Ohm den Fehler um 25 μV.

Um diesen parasitären Widerstandsfehler zu vermeiden, muss der Messwiderstand mit einer Kelvinkontaktierung ausgeführt sein. Eine Kelvinkontaktierung verfügt über einen stromlosen PCB-Leiterzug, der die Spannung an einem Knoten erfasst. In Bild 4 ist ein solches Layout mit Kelvinkontaktierung zu sehen.

Bild 4 zeigt die Verbindung des IN+-PCB-Leiterzugs in den Lötpunkt des Widerstands mit dem IN+-Pin des hochohmigen differenziellen Leiterpaares und umgekehrt, auf der anderen Seite des Lötpunktes, die Verbindung des IN-PCB-Leiterzugs mit dem IN-Pin des hochohmigen differenziellen Leiterpaares. Auf diese Weise erfolgt die Spannungsmessung direkt am Messwiderstand ohne Beeinflussung durch andere PCB-Leiterzüge.

Der Baustein MAX34417 von Maxim (Bild 3) ist ein Vier-Kanal-Leistungswächter zur Ermittlung der Stromstärke und Spannung sowie zur Berechnung der Leistung über die Zeit. Die Überwachung der Strom-, Spannungs- und Leistungswerte entlastet den Controller oder Prozessor von der aufwendigen Aufgabe, ständig auch noch die Leistung der Subsystem-Stromversorgung überwachen und berechnen zu müssen. Basierend auf den Informationen des Überwachungsgeräts kennt der Controller oder Prozessor des Systems den Leistungsverlauf und bringt den Nutzer dazu, geeignete Maßnahmen zur Reduzierung der Stromaufnahme zu ergreifen.

Die Informationen aus der Leistungsüberwachung bieten Nutzern Möglichkeiten, die Betriebssicherheit zu erhöhen und die Akkulaufzeit zu optimieren. Aufgrund der Speichergröße des Bausteins bleiben die Daten bis zu 4,55 Stunden gespeichert (bei einer Sampling-Rate von 1024 Samples/s). Der große Speicher ermöglicht eine erhebliche Entlastung des Prozessors bei der Datenerhebung und -überwachung.

Bonnie Baker

Bonie
Maxim Integrated

(neu)

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