Кратковременный подсчет кулонов

Существует много микросхем со счетчиком кулонов, которые измеряют интегрированный ток, поступающий в батарею или выходящий из нее, для оценки состояния заряда. Есть ли хорошие чипы для простых цепей, чтобы измерить, сколько заряда используется конкретной операцией, которая может занять 1-500 мс? Ни один из чипов для подсчета заряда, на которые я смотрел, не обеспечивает хорошего разрешения на коротких временных шкалах. Например, типичный чип выдает примерно два импульса в секунду при максимальном входном токе; если для операции требуется, например, 100 мА в течение 10 мс и 25 мА в течение 90 мс, кулоновский счетчик, который будет выводить два импульса в секунду при максимальном токе (100 мА), будет предлагать один счет на 50 мС. Описанная операция потребляет 3,25 мС, поэтому счетчик будет выдавать только один счет каждые 15 операций.

Один из подходов, который я рассматривал, заключался в использовании импульсного источника питания с прерывистым режимом, работающего от регулируемого входного напряжения, и подсчета количества импульсов переключения. Это должно привести к подсчету высокого разрешения; если импульсный источник питания всегда использовал одинаковую величину тока в каждом импульсе, и если ток всегда падал до нуля между импульсами, количество импульсов должно быть прямо пропорционально общему интегральному току. К сожалению, это не самый эффективный способ управления коммутатором, и большинство коммутаторов пытаются работать более эффективно, чем это.

Предположим, что напряжение питания будет 3 или 6 В, максимальный ток составляет 250 мА, и цель состоит в том, чтобы обеспечить минимальный КПД 50% и рассеивание покоя 3 мВт. Какой будет наилучший подход?

добавление

Хотя я хотел бы использовать универсальный подход к измерениям, конкретное применение, которое я имею в виду, заключается в определении факторов, влияющих на потребление энергии различными «интеллектуальными» радиочастотными модулями, которые будут использоваться вне помещений. Например, если модули обычно потребляют один мАс каждые 15 секунд для поддержания сетки, но во время ливня некоторые из модулей иногда начинают потреблять 10 мАс каждую секунду в течение пары минут, было бы полезно об этом знать. Если по какой-то причине ток холостого хода, который обычно составляет 25 мкА, иногда достигает 40 мкА, я бы тоже хотел это знать.

Многие устройства, интегрирующие заряд, работают путем измерения мгновенного тока и интегрирования измеренных значений. Меня беспокоит то, что мгновенный ток будет иметь довольно большой динамический диапазон (я хотел бы, если возможно, быть точным до 10 мкА в слаботочных ситуациях, но иметь возможность фиксировать события до 250 мА), и принимать показания с этим уровень предвидения достаточно быстрый, чтобы гарантировать, что даже короткие события будут точно интегрированы, может показаться немного сложным.

Одним из решений, о котором я думаю, было бы использование PIC со встроенным или внешним аналоговым компаратором, работающим от регулируемых 3,30 вольт; всякий раз, когда выходное напряжение ниже 3,10 В, включите PFET с последовательным резистором, настроенным на пропускание 0,50 А с падением 0,20 В. Если на выходе имеется достаточное ограничение, ПИК должен быть в состоянии сна, когда на выходе имеется достаточное напряжение; когда напряжение падает ниже 3,10 вольт, ПИК может проснуться, подать импульсы на PFET до тех пор, пока напряжение не станет выше 3,10 вольт, и, если зарядка не потребовала слишком много импульсов, «вернуться в постель».

Я ожидаю, что на точность шкалы измерения должны повлиять точность тактового сигнала PIC, эффективное объединенное сопротивление PFET и последовательного резистора, а также сравнение выходного напряжения с 3,10 вольт, регулировка входа 3,30 вольт. Точность смещения измерения будет зависеть только от утечки.

Если цель состоит в том, чтобы иметь общую точность 10%, PIC, как правило, должен поддерживать выходной сигнал в пределах 0,02 В от цели. Столкнувшись с нагрузкой 250 мА, ограничение 1000 мкФ снизится на 0,250 В / мс. Поддержание падения напряжения ниже 0,02 вольт потребовало бы включения PIC в течение 80 мкс, что, я думаю, возможно при использовании PIC на основе RC-генератора.

Не сложно интегрировать ток. Если вы готовы бросить свой собственный, у вас будет полный контроль над спецификациями.

Как вы, вероятно, знаете, конденсатор имеет отношения Q = CV и .$Q = \int i \cdot dt$

Один из способов сделать это - создать текущее зеркало для зарядки крышки. Считывание напряжения крышки - это все, что нужно. Вы можете получить колпачки настолько точными, насколько вам нужно, и есть много точных текущих конфигураций зеркал.

С таким методом вы можете получить любую сложность, которая вам нужна. Вы можете иметь несколько разрешений (несколько зеркал и колпачков разных размеров). Вы можете использовать операционные усилители, чтобы улучшить разрешение и создать простой сброс.

Конечно, это не так просто, как использовать чип, но, как вы уже заявили, вы не можете найти чипы, которые соответствуют вашим потребностям.

Может быть возможно использовать текущее обнаружение (даже близость), но я не уверен, что точность, которую вы получите. Например, если ваша нагрузка достаточно низкая, вы можете подключить резистор 1 Ом последовательно. Напряжение на резисторе тогда равно току. Интегрируйте это (скажем, используя операционный усилитель), и вы получите заряд. Эффективность здесь была бы намного больше, почти близка к единице, в то время как текущий метод зеркалирования будет чуть менее 50%.

Я бы предложил другой подход: подключите небольшой резистор (например, 0,1 Ом 1% или лучше - точное сопротивление должно зависеть от тока нагрузки и точности, которой вы пытаетесь достичь) последовательно с батареей и через нее с высокой стороны Усилитель тока (например, MAX4173) и подключите его к ЦАП (есть микроконтроллеры, которые поставляются с ЦАП внутри). Таким образом, вы можете измерять ток в режиме реального времени (конечно, в зависимости от частоты дискретизации), и вы можете выполнять интеграцию в режиме онлайн или постобработку (опять же, в зависимости от того, что у вас есть и чего вы хотите достичь.

Рассматривали ли вы вопрос о том, что другие люди используют для краткосрочного измерения тока?

Доктор Сергей Скоробогатов. «Атаки по побочным каналам: новые направления и горизонты» . Кембриджский университет 2011. упоминает «осциллограф и небольшой резистор в линии электропитания»

Эрик Го. В «Учебнике SHA-3 по SASEBO-GII» 2010 г. упоминается резистор 1 Ом между VCC и устройством.

Профессор Жан-Жак Квискватер и Франсуа Коюн. «Боковой канал атак» . В 2002 году упоминается резистор 50 Ом, «включенный последовательно с входом питания или земли. Разность напряжений на резисторе, деленная на сопротивление, дает ток».

Пол Кохер · Джошуа Джаффе · Бенджамин Джун · Панкадж Рохатги. «Введение в дифференциальный анализ мощности» . В 2011 году упоминается: «Хотя последовательный резистор с линией питания или заземления является самым простым способом получения следов питания, мы также добились успеха, используя внутреннее сопротивление батарей и внутренние источники питания».