Conteggio coulomb su scala temporale breve


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Esistono molti chip contatore di coulomb che misurano la corrente integrata che entra o esce da una batteria ai fini della stima dello stato di carica. Esistono buoni chip per circuiti facili allo scopo di misurare quanta carica viene utilizzata da una particolare operazione che può richiedere 1-500ms? Nessuno dei chip di conteggio della carica che ho esaminato offre una buona risoluzione su scale temporali brevi. Un tipico chip, ad esempio, produrrebbe all'incirca due conteggi al secondo alla massima corrente di ingresso; se un'operazione richiede ad esempio 100 mA per 10 ms e 25 mA per 90 ms, un contatore di coulomb che emetterebbe due conteggi al secondo alla massima corrente (100 mA) offrirebbe un conteggio per 50 mC. L'operazione descritta consumerebbe 3,25mC, quindi il contatore produrrebbe solo un conteggio ogni 15 operazioni.

Un approccio che stavo prendendo in considerazione consisteva nell'utilizzare un alimentatore a commutazione in modalità discontinua, funzionante da una tensione di ingresso regolata, e contare il numero di impulsi di commutazione. Ciò dovrebbe produrre un conteggio ad alta risoluzione; se l'alimentazione di commutazione utilizzava sempre la stessa quantità di corrente in ciascun impulso e se la corrente scendeva sempre a zero tra gli impulsi, il numero di impulsi dovrebbe essere direttamente proporzionale alla corrente integrata totale. Sfortunatamente, questo non è il modo più efficiente per far funzionare uno switcher e la maggior parte degli switcher tenta di operare in modo più efficiente.

Supponendo che la tensione di alimentazione sia di 3 o 6 volt, la corrente massima sia di 250 mA e l'obiettivo è avere un minimo del 50% di efficienza e una dissipazione di riposo di 3 mW, quale sarebbe l'approccio migliore?

appendice

Anche se mi piacerebbe avere un approccio di misurazione per scopi generali, la particolare applicazione che ho in mente è determinare quali fattori influenzano il consumo di energia di vari moduli RF "intelligenti" che verranno utilizzati all'aperto. Ad esempio, se i moduli consumano normalmente un mA ogni 15 secondi per mantenere una mesh, ma durante una tempesta alcuni moduli iniziano a consumare 10maS ogni secondo per un paio di minuti, quel genere di cose sarebbe utile sapere. Se per qualche ragione la corrente inattiva che normalmente si trova a 25uA a volte sale a 40uA, mi piacerebbe saperlo anche io.

Molti dispositivi di integrazione della carica funzionano misurando la corrente istantanea e integrando i valori misurati. La mia preoccupazione è che la corrente istantanea avrà un intervallo dinamico piuttosto ampio (mi piacerebbe se possibile essere preciso a 10uA in situazioni a bassa corrente, ma essere in grado di catturare eventi fino a 250mA), e prendere letture con quello livello di previsione abbastanza veloce da garantire che anche gli eventi brevi vengano integrati con precisione sembrerebbe un po 'complicato.

Una soluzione a cui sto pensando sarebbe quella di utilizzare un PIC con un comparatore analogico incorporato o esterno, a partire da 3,30 volt regolati; ogni volta che l'uscita è inferiore a 3,10 volt, accendere un PFET con un resistore serie regolato per passare 0,50 A con una caduta di 0,20 volt. Se c'è un limite sufficiente sull'uscita, il PIC dovrebbe essere in grado di dormire ogni volta che c'è un'adeguata tensione sull'uscita; quando la tensione scende al di sotto di 3,10 volt, il PIC potrebbe riattivarsi, inviare impulsi al PFET fino a quando la tensione non torna al di sopra di 3,10 volt e, se la carica non ha assorbito troppi impulsi, "tornare a letto".

Mi aspetto che l'accuratezza della scala di misura sia influenzata dall'accuratezza del clock del PIC, dall'efficace resistenza combinata del PFET e dal resistore in serie e dal confronto della tensione di uscita a 3,10 volt, dalla regolazione dell'ingresso da 3,30 volt. La precisione dell'offset di misura sarebbe puramente una funzione di perdita.

Se l'obiettivo è avere un'accuratezza complessiva del 10%, il PIC dovrebbe generalmente mantenere la sua uscita entro 0,02 V dall'obiettivo. Di fronte a un carico di 250 mA, un tappo da 1000 uF cade di 0,250 V / ms. Mantenere la caduta di tensione al di sotto di 0,02 volt richiederebbe che il PIC si riattivi entro 80us, cosa che penso sia probabilmente fattibile con i PIC basati su oscillatore RC.


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Alimentato a batteria = Risparmio energetico. Molte misure = scarsa efficienza energetica.
Connor Wolf,

Se non hai bisogno di una buona efficienza per il tuo circuito di misurazione (come se fosse per una configurazione di test da banco), un amplificatore di strumentazione attraverso un resistore in serie con la connessione di alimentazione al dispositivo di destinazione e un sistema DAQ basato su computer lavorare ed essere facile da montare.
Connor Wolf,

In alternativa, Maxim produce un gruppo di dispositivi di rilevamento della corrente high-side . Uno di questi, insieme a un ADC, funzionerebbe anche, anche se dovresti fare la tua integrazione.
Connor Wolf,

Risposte:


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Non è difficile integrare la corrente. Se sei disposto a lanciare il tuo, avrai il controllo completo sulle specifiche.

Come probabilmente saprai, un condensatore ha le relazioni Q = CV e Q=iodt .

Un modo in cui vedo la parte superiore della mia testa per fare questo è quello di creare un mirror corrente per caricare un tappo. È sufficiente leggere la tensione del cappuccio. Puoi ottenere i tappi con la precisione di cui hai bisogno e ci sono molte configurazioni di mirror attuali accurate.

Con un metodo del genere puoi davvero ottenere tutta la complessità di cui hai bisogno. Potresti avere più risoluzioni (più mirror e calotte di dimensioni diverse). È possibile utilizzare gli amplificatori operazionali per migliorare la risoluzione e creare un semplice ripristino.

Ovviamente non è semplice come usare un chip ma come hai già detto, non puoi trovare alcun chip adatto alle tue esigenze.

Potrebbe essere possibile utilizzare il rilevamento corrente (anche la prossimità) ma non sono sicuro della precisione che otterrai. Ad esempio, se il carico è abbastanza basso, è possibile applicare una resistenza da 1ohm in serie. La tensione attraverso la resistenza è quindi uguale alla corrente. Integra questo (diciamo, usando un amplificatore operazionale) e hai la carica. L'efficienza qui sarebbe molto più grande, quasi vicina all'unità, mentre l'attuale metodo mirror sarà leggermente inferiore al 50%.


L'uso di un mirror corrente per caricare un limite potrebbe funzionare, ma sfortunatamente non conosco alcun modo carino per creare un mirror corrente moltiplicatore. L'uso di uno specchio di corrente 1: 1 significherebbe che più della metà dell'energia che entra nel dispositivo in prova verrebbe sprecata (lo specchio attuale farebbe cadere un po 'di tensione e metà della corrente caricherà il tappo di misurazione che verrebbe quindi scaricato come rifiuto). Stavo anche pensando di utilizzare una sorgente di corrente commutata da 250 mA tra un ingresso di alimentazione e un cappuccio che serviranno da ingresso al circuito in prova.
Supercat,

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Hai AOE? non sono difficili e fornisce diversi esempi. Puoi realizzare tutti i tipi di specchi frazionari. Anche un cappuccio commutato potrebbe funzionare. Sarebbe comunque meno diretto e potrebbe avere problemi di precisione se non stai attento.
Uiy,

Ad un buon livello elevato (ad es. 100 KHz) campionare la tensione sul cappuccio di potenza del circuito sotto test. Se è al di sotto della soglia desiderata, attivare la sorgente 250mA; altrimenti spegnilo. Conta la frazione del tempo in cui la sorgente corrente deve essere accesa. Sembrerebbe fattibile, ma esteticamente sembra un po 'rozzo.
Supercat,

Che cos'è AOE (implicazione - probabilmente non ce l'ho)?
Supercat,

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super, ma se usi un mirror corrente con rapporto riduci la potenza consumata dalla misurazione. È il doppio della potenza consumata con un mirror di corrente 1: 1 poiché il mirror rispecchierà la corrente nel carico. Con uno specchio di corrente 1: 1/2 la potenza è 1,5x e con 1: 1/5 è 1,2x. Puoi creare specchi anche con feti e amplificatori operazionali.
Uiy,

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Suggerirei un approccio diverso: collegare un piccolo resistore (ad es. 0,1 Ohm 1% o migliore - l'esatta resistenza dovrebbe dipendere dalla corrente di carico e dall'accuratezza che si tenta di raggiungere) in serie con la batteria e attraverso di essa un lato alto amplificatore di rilevamento corrente (ad es. MAX4173) e collegarlo a un DAC (ci sono microcontrollori forniti con DAC all'interno). In questo modo puoi misurare la corrente in tempo reale (a seconda della frequenza di campionamento, ovviamente) e puoi fare l'integrazione online o post-elaborarla (di nuovo, a seconda di ciò che hai e di ciò che vuoi ottenere.


Ho pensato a quell'approccio; le mie preoccupazioni sarebbero (1) Se uso ad esempio un campionamento ADC a 12 bit a 10 KHz con fondo scala 205 mA, avrei solo una risoluzione di 50 uA; (2) Se un dispositivo utilizza ad es. Un extra di 100 mA per 150 uS, non so come garantire che la corrente integrata di misurazione non dipenda da quando i campioni sono stati prelevati; (3) Ottenere una potenza di riposo inferiore a 3mW con una frequenza di campionamento anche di 10 KHz potrebbe essere difficile.
supercat

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Hai considerato di guardare cosa usano gli altri per la misurazione della corrente su scala breve?

Dr. Sergei Skorobogatov. "Attacchi del canale laterale: nuove direzioni e orizzonti" . L'Università di Cambridge 2011. menziona "un oscilloscopio e una piccola resistenza nella linea di alimentazione"

Eric Guo. "Tutorial di SHA-3 su SASEBO-GII" 2010. menziona una resistenza da 1 Ohm tra VCC e il dispositivo.

Prof. Jean-Jacques Quisquater e Francois Koeune. "Attacchi del canale laterale" . Il 2002 menziona un resistore da 50 Ohm "inserito in serie con l'alimentazione o l'ingresso di terra. La differenza di tensione attraverso il resistore divisa per la resistenza produce corrente".

Paul Kocher · Joshua Jaffe · Benjamin Jun · Pankaj Rohatgi. "Introduzione all'analisi della potenza differenziale" . Il 2011 menziona "Mentre un resistore in serie con una linea di alimentazione o di terra è il modo più semplice per ottenere tracce di potenza, abbiamo anche avuto successo sfruttando la resistenza interna delle batterie e degli alimentatori interni".

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