Microchip Technology Inc.
Avtor: Adrian Lita
2022-303-18
Baterijsko napajane naprave so prisotne že dolgo časa. Odkar so se pojavili mobilni telefoni, se je število baterijsko napajanih naprav, ki uporabljajo akumulatorje za ponovno polnjenje, v zadnjih dveh desetletjih eksponentno povečalo. Od leta 2018 več deset tisoč modelov telefonov, tablic, prenosnikov in številnih drugih pripomočkov uporablja litijeve baterije.
Zelo pomemben vidik za vse prenosne naprave je poraba energije. Razvijalci strojne opreme se vedno bolj osredotočajo na implementacije z nizko porabo energije, hkrati pa povečujejo zmogljivosti ter zmanjšujejo velikost in stroške. Razvijalci programske opreme si tudi prizadevajo zmanjšati porabo energije z raziskovanjem in razvojem novih pristopov k starejšim algoritmom, tako na področju operacijskih sistemov (tj. z načrtovanjem, ki se zaveda porabe energije) in novejših tem, kot je strojno učenje. Moč je trenutna poraba energije. Kot je opisano v enačbi 1, je v elektroniki moč produkt med trenutno napetostjo in tokom. Njena enota je Watt, ki predstavlja Joule na sekundo.
Energija je produkt med močjo in časom. To je tisto, kar vezja porabijo in kaj shranijo baterije. Upravljanje moči običajno pomeni upravljanje trenutnih tokov in napetosti, da se zadovoljijo zmogljivosti prenosa energije in pogoji obremenitve. Spremljanje energije na splošno daje informacije o porabi energije, da pomaga razvijalcem pri upravljanju baterije in splošnem primerjanju moči. Aktivno upravljanje energije se pojavi, ko energijo spremlja programska oprema, ki je posebej zasnovana za izvajanje dejanj na podlagi določenih obremenitev.
Aktivno upravljanje energije se lahko izvaja bodisi samodejno, na podlagi vnaprej določenih nastavitev, bodisi ročno, ko se programska oprema zažene, da se uporabniku dajo določena priporočila in predlogi. Na primer, ko večina prenosnih računalnikov deluje na baterijo namesto na omrežno napetost, se lahko zmogljivost procesorja samodejno zmanjša in grafika se lahko preklopi na vgrajeni grafični procesor, ki troši manjšo moč in ima manjšo zmogljivost namesto namenskega. Nekatere zunanje naprave prenosnika je mogoče izklopiti, da bi dosegli daljšo življenjsko dobo baterije, ali pa lahko uporabnik prejema obvestila za zmanjšanje svetlosti zaslona ali osvetlitve tipkovnice. Večina pametnih telefonov ima možnosti varčevanja z energijo, ki jih predlaga programska oprema za aktivno upravljanje energije, ko baterija pade pod določeno raven. To vključuje izklop nekaterih aktivnih internetnih povezav, zmanjšanje svetlosti zaslona in drugo.
Vendar se primeri ne končajo pri napravah, ki jih napajajo baterije. Strežniki skrbno spremljajo porabo energije in raven obremenitve, da se lažje odločijo, ali je mogoče določene storitve ustaviti ali vsaj začasno ustaviti. V primeru virtualnih strežnikov, kjer se aplikacija lahko poveča in zmanjša, odvisno od skupne trenutne uporabe in napovedi uporabe na podlagi statistike, lahko hipervizorji nekatere virtualne stroje popolnoma izklopijo. Druga uporaba aktivnega upravljanja energije je pri odpravljanju napak. Spremljanje energije lahko zagotovi močne informacije o tem, ali celotni sistemi ali njihovi deli delujejo znotraj meja.
Elektronska vezja, ki se uporabljajo za merjenje enosmerne moči in energije
Kot že omenjeno, je električna moč produkt med napetostjo in tokom. Natančno merjenje moči zahteva merjenje tako napetosti kot toka z visoko natančnostjo. Moč, izmerjena in akumulirana v določenem časovnem obdobju, je energija. Ker poraba energije v večini primerov ni konstantna, je treba meritve napetosti in toka opraviti z izbrano pasovno širino. Tipičen primer merilnih tokokrogov enosmerne napetosti je preprost delilnik napetosti, ki je prikazan na sliki 1 – na levi, in delilnik napetosti z ojačevalnikom, prikazan na sliki 1 desno. Medtem ko lahko obe vezji nudita visoko natančnost z ustrezno kalibracijo, pa napetostni delilnik z ojačevalnikom, čeprav je dražji od njegovega dvojnika brez ojačevalnika, običajno porabi manj energije in se uporablja zlasti pri merjenju zelo nizkih enosmernih signalov.
Medtem ko je tok (vključno z enosmernim) mogoče meriti tudi s pomočjo Hallovega učinka, se ta članek osredotoča na merjenje enosmernega toka s shunt upori, ker so pogosteje uporabljeni in cenejši. Shunt upor je upor z nizko upornostjo, ki je serijsko povezan z vezjem. Ko skozi vezje teče tok, se na shunt uporu pojavi majhen padec napetost. Padec napetosti je sorazmeren s tokom kot v enačbi 2 in se običajno ojači z operacijskim ojačevalnikom.
Ker je shunt upor v seriji s preostalim vezjem, ga je mogoče postaviti na dve strani: na visoko stran, kjer je eden od priključkov shunt-a neposredno povezan s pozitivno napajalno napetostjo, ali na nizko stran, kjer je shunt priključen na ozemljitev, kot je prikazano na sliki 2. V obeh primerih bo prisoten majhen padec napetosti na shuntu, skupna napetost, ki se uporablja za napajanje vezja, pa bo nižja. Vendar pa ima položaj shunta več posledic:
- Če je shunt nameščen na nizki strani (slika 2, na levi), je napetost na njem neposredno povezana z ozemljitvijo. Ker imajo shunt upori običajno majhno upornost, so tudi padci napetosti na njih majhni, zaradi česar je za tokovno merilno vezje zelo enostavno uporabiti poceni nizkonapetostni operacijski ojačevalnik za ojačenje padca napetosti. To je zelo zaželeno zaradi stroškovnih razlogov. Vendar pa je glavna pomanjkljivost shuntov na nizki strani dejstvo, da celotno vezje ni več neposredno povezano z zemljo, temveč z nečim, ki ima višji potencial od ozemljitve. Padec napetosti shunta je običajno v območju milivoltov.
- Po drugi strani pa, če je shunt nameščen na visoki strani (slika 2 na desni), je vezje neposredno povezano z zemljo, kar odstrani vse neželene učinke, ki jih imamo pri namestitvi na nizki strani. To je zelo zaželeno, kadar vezje izvaja natančne meritve ali mora zagotoviti natančne izhodne signale. Edina slaba stran te metode je, da je treba uporabiti visokonapetostno diferencialno vezje operacijskega ojačevalnika in, odvisno od pasovne širine operacijskega ojačevalnika, se lahko cena poveča.
Medtem ko je mogoče napetost, tok in celo moč izmeriti z analognimi vezji precej enostavno in z nizkimi stroški, energija zahteva bolj zapleteno vezje. Vendar pa je klasičen pristop k merjenju energije merjenje napetosti in toka z uporabo analognega vezja, nato pa pretvarjanje signalov v digitalno z uporabo analogno-digitalnega pretvornika (ADC), ki odda podatke v mikrokontroler. Odgovornost mikrokontrolerja je, da vzorči akumulirano moč signala skozi čas, kar povzroči meritve energije. Tipično vezje za merjenje energije je prikazano na sliki 3. Dodajanje mikrokontrolerja v merilno vezje ima prednosti in slabosti. Po eni strani lahko ponudi veliko prilagodljivosti pri računskih algoritmih, spremljanju različnih vedenj in izdelavi podrobnejših poročil – na primer urnih, dnevnih itd. Druga prednost je, da lahko mikrokontroler naredi več kot samo meritve energije. Lahko sproži dogodke, zažene stroje stanja (state machine) po meri ali skoraj vse, kar potrebuje inženir. Povečanje stroškov in seznama materialov (BOM) ni problem, če je sistem že v osnovi potreboval mikrokontroler. Po drugi strani pa so slabosti spremljanja energije z mikrokontrolerjem povečanje skupne porabe energije merilnega sistema, neželen razvoj kode in obremenitve, odvisno od natančnosti pa so včasih morda potrebni zunanji ADC-ji.
Ker je povpraševanje po funkcijah za spremljanje enosmerne energije z leti naraščalo, je bilo razvitih več integriranih vezij za takšne aplikacije. Primer takšnega IC-ja je PAC1934 podjetja Microchip. Takšen IC lahko preprosto vzorči do 4 kanale hkrati, edina zahtevana zunanja komponenta je shunt upor. Osnovna shema vezja je predstavljena na sliki 4. Integrira operacijske ojačevalnike, ADC, logiko aritmetičnega izračuna, pomnilnik in standardni vmesnik za povezavo s sistemom (običajno I2C ali SPI). Prednosti uporabe integriranega vezja v primerjavi s klasičnim pristopom se takoj opazijo v stroških, saj se BOM znatno zmanjša, in seveda v velikosti TIV, saj je vse potrebno za merjenje energije že integrirano v en IC.
Prednosti aktivnega spremljanja energije
S prilagodljivo konfiguracijo, ki ustreza večini primerov uporabe, lahko specializirani IC kopiči moč v daljših časovnih obdobjih z zelo majhno porabo energije. Običajno se hitrost vzorčenja moči giblje od 8 vzorcev na sekundo do več kot 1 KSPS. PAC1934, na primer, ko deluje pri 8 SPS, lahko akumulira moč več kot 36 ur, s tokom manj kot 16 µA, medtem ko so vsi 4 kanali popolnoma aktivni in delujejo pri 16-bitni ločljivosti, brez kakršnega koli posredovanja programske opreme. Z omogočanjem sprotnih sprememb stopnje vzorčenja se primeri uporabe razširijo. Primer uporabe je, ko se IC uporablja v standardnem prenosniku za spremljanje napajalnih vodov. Nadzor se lahko izvaja pri 1024 SPS, medtem ko prenosnik deluje in je aktiven, nato pa lahko hitrost spremljanja pade na 8 SPS, ko prenosnik deluje v zaustavljenem stanju, ker poraba energije v zaustavljenem stanju ne bo preveč nihala. Poleg tega znižanje stopnje vzorčenja zmanjša porabo energije za spremljanje energije, ne da bi pri tem ogrozilo zmogljivost.
Eden izmed najbolj priljubljenih primerov uporabe aktivnega spremljanja energije je merjenje energije v akumulatorju. Specializiran IC spremlja napetost in tok baterije ter vedno ve, koliko energije trenutno ima baterija. Naprednejši merilniki energije lahko zaznajo tudi, kdaj baterija naleti na določene težave. Na primer, lahko spremlja napetost baterije v primerjavi z energijo, in ko se ne ujemata več, to pomeni, da se skupna zmogljivost baterije zmanjšuje zaradi starosti in drugih dejavnikov. Aktivni nadzor energije je tudi jedro standardnega sistema za upravljanje z baterijami (BMS). BMS je vezje, ki se uporablja v večceličnih baterijskih sklopih in je odgovorno za varno polnjenje in praznjenje paketa, kjer aktivno meri napetost in tok, da zagotovi, da ima vsaka baterijska celica enake parametre. Funkcije BMS vključujejo tudi odkrivanje okvarjenih celic ali odklop paketa, ko je napetost previsoka ali prenizka.
Drug priljubljen primer uporabe aktivnega spremljanja energije je uporaba skupaj z operacijskim sistemom na pametnih telefonih in tablicah z Linuxom ali Microsoft Windows na prenosnih računalnikih, računalnikih in strežnikih. V primeru pametnih telefonov in tablic operacijski sistem na različne načine spremlja energijo, ki jo porabijo različne storitve in aplikacije. V zgodnjih fazah se energija ni neposredno merila, sistem pa jo je ocenil na podlagi CPU-ja, GPU-ja in uporabe zaslona z uporabo tabelnih podatkov za porabo energije v različnih delovnih točkah. Podatki o ocenjeni porabi energije so bili sporočeni v obliki statistike, da se uporabnik odloči, kako želi napravo nadalje upravljati. Na prenosnih in osebnih računalnikih je Microsoft predstavil “Energy Estimation Engine” (E3) od Windows 8 naprej. V zgodnjih fazah je E3 deloval podobno kot algoritmi za ocenjevanje v pametnih telefonih, z zmožnostjo spremljanja porabe energije pri vsaki nalogi tako, da jo oceni na podlagi različnih virov porabe (procesor, grafika, disk, pomnilnik, omrežje, zaslon in drugo). E3 je predstavil tudi vmesnik za merjenje energije (EMI), ki proizvajalcem sistemov omogoča, da dodajo in deklarirajo senzorje za merjenje energije, ki so fizično na voljo sistemu. Ko so prisotni, E3 uporablja takšne senzorje za natančno merjenje moči in energije, namesto da bi delal samo ocene. Nekateri proizvajalci prenosnih računalnikov že uvajajo te funkcije v svoje prenosnike. Poleg tega je bilo v preteklosti prisotnih več drugih pobud (tj. Sony-jevo spremljanje moči v prenosnih računalnikih Vaio), vendar za to ni bilo podpore operacijskega sistema in do podatkov so lahko dostopale samo lastniške aplikacije. Linux nima enakovrednega programa za Microsoftov E3, vendar menda delajo na tem. Industrijski I/O podsistem1 podpira dodajanje različnih senzorjev v operacijski sistem, kar zagotavlja zelo preprost in zmogljiv vmesnik za aplikacijo uporabniškega prostora (vmesnik, ki temelji na datotekah). Vendar pa je v času, ko je bil ta članek napisan, je Industrial I/O podsistem trenutno zgolj razširitev jedra, ki ni del privzete gradnje Linuxa. Linux podpira tudi načrtovanje, ki se zaveda2 energije, in inteligentno dodeljevanje energije, algoritem, zasnovan za večjo uporabo na ugnezdenem območju Linuxa, ki omogoča sistemu, da se odloči, kako razporediti različne naloge, hkrati pa upošteva toplotne vidike (poraba energije povzroči ogrevanje CPU/GPU).
Drug primer uporabe IC-ja za merjenje energije, ki je vreden pozornosti, je spremljanje moči in energije USB iz različnih razlogov1 ter uporaba v strežniških aplikacijah, kot je opisano v prvem delu članka. Ker so strežniki naprave, zasnovane za neprekinjeno delovanje brez prekinitev, spremljanje porabe energije ponuja številne prednosti, od povečanja splošne učinkovitosti porabe energije z aktivnim nadzorom storitev in izpolnjevanja vedno višjih standardov energetske učinkovitosti2 do omogočanja skrbnikom sistema, da izvajajo predvideno vzdrževanje, ko se nekateri deli strežnika pričnejo drugače obnašati glede porabe energije (to lahko kaže na prihodnjo okvaro).
Povzetek
Glede na potrebe po nadzoru energije in drugih funkcij, ki jih mora izvajati sistem, so lahko nekateri pristopi primernejši od drugih. Klasični pristop je lahko zmagovalen v primerih, ko je ugnezden sistem zgrajen z lastnim namenom in mora poznati tudi svojo porabo energije ali imeti energijsko oceno. Prav tako bi bilo priporočljivo, da ima mikrokontroler notranji ADC, da bi bili stroški za funkcije nadzora energije minimalni. Pri tem pristopu je potrebno samo zunanje analogno vezje, ki se uporablja za zaznavanje napetosti in toka. Drugi primeri, kjer je klasični pristop primernejši od integriranega, so tisti, ko je potrebna zelo visoka natančnost in stroški BOM ter poraba energije niso problem.
Po drugi strani pa obstajajo različni primeri, ko je celostni pristop bolj primeren. Eden od primerov je, ko želimo merjenje energije integrirati skupaj z operacijskim sistemom, saj je integrirana rešitev za to že zgrajena, z ustreznimi gonilniki pa jo sistem samodejno prepozna in ve, kaj storiti. Integrirana rešitev ponuja prednosti, ko je treba spremljati veliko vodil, saj lahko IC za merjenje energije običajno meri več kot en kanal (torej več kot eno vodilo). Poleg tega se lahko na istem komunikacijskem vodilu uporablja več IC-jev (npr. kot I2C ali SPI). Drug primer, ko integrirana rešitev zmaga, je merjenje energije v daljših časovnih obdobjih, medtem ko je sistem v načinu mirovanja z zelo nizko porabo energije ali popolnoma izklopljen. To temelji na dejstvu, da integrirani čipi za spremljanje energije porabijo zelo malo energije in lahko sami izvajajo izračune in kopičenje energije v določenih časovnih obdobjih, brez kakršnega koli posega v sistem.
In seveda, ko je velikost pomembna pri visoko integriranih in gostih TIV-ih, kot so matične plošče telefonov, tablic ali prenosnikov, integrirano vezje vedno zavzema manj površine kot njegove enakovredne diskretne komponente. Na primer, integrirano vezje za merjenje energije, ki lahko spremlja štiri kanale hkrati, je mogoče najti v WLCSP čipu velikosti 2,225 x 2,17 mm.
Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.
