30-A-Energieverbrauchsmessung mit wenig Verlusten

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Energiemessungen mit geringem Messfehler

Der LTC2947 misst Parameter wie Strom, Spannung, Leistung, Ladung, Energie, Temperatur und Zeit. Wie das Blockdiagramm in Bild 3 zeigt, verwendet der Chip drei Sigma-Delta-A/D-Wandler, von denen zwei Spannung und Strom messen und der dritte die Leistung berechnet.

Im kontinuierlichen Betrieb messen die A/D-Wandler ständig gleichzeitig Strom, Spannung, Leistung und Temperatur und aktualisieren die entsprechenden internen Register alle 100 ms. Ein Single-Shot-Betrieb triggert einen einzelnen Satz von Ringmessungen.

Wenn keine Messungen gemacht werden müssen, kann sich der Baustein selbst in einem Abschaltmodus parken, in dem der gesamte Stromverbrauch auf unter 10 µA reduziert ist. Oder er geht in einen Ruhezustand über, in dem sämtliche Schaltungen aktiv bleiben, um sofort wieder in den kontinuierlichen, Single-Shot- oder abgeschalteten Betrieb überzugehen.

Der geringe Messfehler der Energiemessung des Chips von 1,3% ist der speziellen Art zu verdanken, wie er die Leistung berechnet. Anders als bestehende Leistungsüberwachungsbausteine, bei denen die Leistung mit der Wandlungsrate eines A/D-Wandlers multipliziert wird, hat der LTC2947 eine besondere Messmethode, die zu einer maximalen Genauigkeit der Leistungsmessung führt.

Maßgeschneiderte A/D-Wandler

Jeder der drei A/D-Wandler ist für eine spezielle Aufgabe maßgeschneidert. Der erste A/D-Wandler misst Strom zwischen –30 und 30 A und verwendet eine kontinuierliche Offset-Kalibrierung, um sicherzustellen, dass alle Eingangsabtastungen gleich gewichtet gemittelt werden und keine Abtastung verloren geht.

Der zweite A/D-Wandler misst sowohl die interne Temperatur als auch die differentielle Spannung zur selben Zeit, zu der der erste den Strom misst. Die Temperatur wird dann sowohl an den Host als auch intern vom LTC2947 benutzt, um die Temperaturdrift der internen Strommesswiderstände zu kompensieren, was in genaueren Messungen resultiert.

Aufgrund des Betriebsbereichs von 0 bis 15 V rail-to-rail ist der LTC2947 in vielen Systemen nutzbringend einsetzbar. Die auf 20 V absolut/maximal ausgelegten Versorgungs- und Mess-Pins besitzen eine Menge Spielraum für 12-V-Anwendungen, aber die Überwachung der Null-Volt-Messmöglichkeit ist ebenso nützlich bei der Überwachung von Strompegeln während Kurzschlüsse oder Blackout-Situationen. Fehlerstrompegel bei 0 V können sofort angezeigt werden, egal ob sich die Stromversorgung oder Last ohne zusätzliche Schaltungen verschlechterte.

Das Geheimnis beim Messen von Leistung und Energie liegt aber im dritten A/D-Wandler, der Strom und Spannung vor jeder Mittelwertbildung bei einer Abtastfrequenz von 5 MHz multipliziert. Man erkennt, dass in einem typischen Leistungs- oder Energiemanagement-IC, ein oder zwei A/D-Wandler eingesetzt werden, um sowohl Strom als auch Spannung zu messen und die Ergebnisse dann multipliziert werden, um die Leistung zu erhalten. Da jedoch normalerweise Sigma-Delta-A/D-Wandler verwendet werden, sind die multiplizierten Werte Mittelwerte von Strömen und Spannungen, die stets zu einem gewissen Leistungsmessfehler beitragen.

Anstatt die gemittelten Werte zu multiplizieren, multipliziert der LTC2947 rohe (Vor-Reduktionsfilter) Messwerte von Strom und Spannung und wandelt erst dann das Ergebnis. Dies erlaubt es selbst bei Strom- und Spannungsvariationen die Leistung bis zu 50 kHz exakt zu messen – weit über seiner Wandlungsrate. Dies kann geschehen, wenn z.B. Leistung aus einer Batterie mit signifikanter Impedanz gezogen wird.

Bild 4 zeigt das Beispiel eines Strom- und eines Spannungssignals, die ihre Phase über ein 20-µs-Intervall wechseln und auch, wie die Leistung in typischen Leistungs- oder Energieüberwachungs-ICs im Vergleich mit dem LTC2947 anders berechnet würde. In typischen Leistungs- oder Energieüberwachungs-ICs wird die Leistung als der Durchschnittsstrom multipliziert mit der Durchschnittsspannung berechnet.

Im LTC2947 wird die Leistung als der Durchschnitt der multiplizierten Abtastungen berechnet (in diesem Beispiel werden zwei Abtastungen verwendet). Die 0,218-W-Leistungsberechnung des LTC2947 entspricht mehr der aktuellen Leistung als die 0,234-W-Leistungsberechnung eines typischen Leistungs- oder Energieüberwachungs-ICs, die einen Fehler von 7,3% hat. Der LTC2947 vermeidet diesen Fehler und behält seine Genauigkeit bei Signalen bis zu 50 kHz bei.

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