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能量測量集成電路在直流系統(tǒng)中的作用

2021/3/13 20:50:54

電池供電類設(shè)備存在已久。然而自手機問世以來，由可充電電池供電的設(shè)備數(shù)量在過去二十年呈現(xiàn)出指數(shù)級增長。截至2018年，成千上萬種型號的手機、平板電腦、筆記本電腦和許多其他小型電器都在使用鋰電池。

對于所有便攜式設(shè)備而言，功耗都是一個至關(guān)重要的因素。硬件開發(fā)人員越來越注重在增加功能、減小尺寸、降低成本的同時，實現(xiàn)低功耗方案。軟件開發(fā)人員也以舊算法為切入點，針對操作系統(tǒng)領(lǐng)域（即通過能量監(jiān)測調(diào)度）和新興領(lǐng)域（例如機器學(xué)習(xí)），研發(fā)新的功率監(jiān)測方法，力求降低功耗。

用于測量直流功率和能量的電路

電功率是電壓與電流的乘積。要精確測量功率，需要對電壓和電流進行精準(zhǔn)測量。在一定時段內(nèi)測量功率并將結(jié)果累加，即得到能量。功耗在大多數(shù)情況下都不是恒定值，因此，必須使用一個選定測量帶寬，在此范圍內(nèi)對電壓和電流進行測量。直流電壓測量電路的一個典型示例是簡單分壓器和緩沖分壓器。都可以通過適當(dāng)?shù)男?zhǔn)提供高精度測量結(jié)果，盡管帶緩沖的分壓器比不帶緩沖的分壓器價格昂貴，但前者通常功耗更低，尤其適合測量極低的直流信號。

多年來，隨著業(yè)界對直流能量監(jiān)測功能的需求不斷增長，多種面向此類應(yīng)用的集成電路相繼問世。例如Microchip的PAC1934集成電路。此類集成電路只需使用分流電阻作為外部元件，即可輕松地同時對多達4個通道進行采樣。

主動能量監(jiān)測的優(yōu)勢

憑借適合大多數(shù)用例的靈活配置，專用集成電路能夠以極低的功耗在長時段內(nèi)累加功率。通常，功率采樣率最低為每秒8次采樣，最高可達1 KSPS。例如，PAC1934以8 SPS運行時，可以累加超過36小時的功率，并且電流小于16?A，同時4個通道全部有效且以16位的分辨率運行，無需軟件干預(yù)。此方法允許采樣率動態(tài)變化，從而可以擴大應(yīng)用范圍。例如在標(biāo)準(zhǔn)筆記本電腦中使用集成電路監(jiān)測電源軌。當(dāng)筆記本電腦處于運行和活動狀態(tài)時，能夠以1024 SPS的采樣率進行監(jiān)測，而當(dāng)筆記本電腦處于掛起狀態(tài)時，監(jiān)測速度可能降到8 SPS，因為在掛起狀態(tài)下，功耗不會有太大的波動。此外，降低采樣率可以減少能量監(jiān)測的功耗，而不會影響性能。

主動能量監(jiān)測最常見的一個用例是電池電量計量。專用集成電路可監(jiān)測電池的電壓和電流，隨時獲知當(dāng)前電池電量。更先進的電池電量計還可以檢測到電池遇到了特定問題，例如電量計可以跟蹤電池的電壓與電量的關(guān)系，如果二者之間不再有對應(yīng)關(guān)系，則意味著電池的總?cè)萘恳蚶匣蚱渌蛩囟s減。主動能量監(jiān)測也是標(biāo)準(zhǔn)電池管理系統(tǒng)（BMS）的核心。BMS是多節(jié)電池組所使用的電路，負責(zé)對電池組進行安全充電和放電，并主動測量其電壓和電流，確保每節(jié)電池的參數(shù)都相同。BMS的功能還包括檢測故障電池，或在電壓過高或過低時斷開電池組。

主動能量監(jiān)測的另一個常見應(yīng)用是與智能手機和平板電腦上的操作系統(tǒng)以及筆記本電腦、計算機和服務(wù)器上的Linux或Microsoft Windows搭配使用。對于智能手機和平板電腦，操作系統(tǒng)通過各種方法監(jiān)測不同服務(wù)和應(yīng)用程序所消耗的電量。在早期階段，系統(tǒng)不直接測量能量，而是使用表格數(shù)據(jù)獲取各個工作點的功耗，基于CPU、GPU和屏幕使用情況估算能量。估算出的能耗數(shù)據(jù)以統(tǒng)計數(shù)據(jù)的形式報告，便于用戶決定如何進一步操作設(shè)備。

自Windows 8起，Microsoft在筆記本電腦和個人計算機中引入了能量估計引擎（Energy Estimation Engine，E3）。E3早期階段的工作原理與智能手機中的估算算法類似，能夠根據(jù)各種資源的使用情況（處理器、圖形、磁盤、存儲器、網(wǎng)絡(luò)和顯示器等）來估算每項任務(wù)的功耗，從而實現(xiàn)功耗跟蹤。E3還引入了能量計量接口（EMI），系統(tǒng)制造商可以通過該接口為系統(tǒng)添加實際可用的能量測量傳感器，并進行相應(yīng)聲明。如果加入了此類傳感器，E3會利用這些傳感器準(zhǔn)確地測量功率和能量，而不是只進行估算。某些筆記本電腦制造商已在其產(chǎn)品中實現(xiàn)了這些功能。

此外，過去還存在一些其他的方法（例如Sony在Vaio筆記本中實現(xiàn)的能量監(jiān)測），但沒有支持這些方法的操作系統(tǒng)，只有專有應(yīng)用程序才能訪問相關(guān)數(shù)據(jù)。Linux尚未提供與Microsoft E3相當(dāng)?shù)墓ぞ撸珦?jù)報道稱，他們已著手進行相關(guān)工作。工業(yè)I/O子系統(tǒng) 支持在操作系統(tǒng)中加入各種傳感器，為用戶空間的應(yīng)用程序提供非常簡單且功能強大的接口（基于文件的接口）。然而，在本文撰寫之時，工業(yè)I/O子系統(tǒng)仍是內(nèi)核的擴展，而不是默認Linux架構(gòu)的組成部分。Linux還支持能量監(jiān)測調(diào)度和智能功率分配，這是一種用于嵌入式Linux領(lǐng)域的算法，可幫助系統(tǒng)決定如何調(diào)度不同的任務(wù)，同時對熱問題予以考量（能耗導(dǎo)致CPU/GPU發(fā)熱）。

能量測量集成電路的另一個值得關(guān)注的應(yīng)用，是對USB功率和能量（出于各種原因）以及在服務(wù)器應(yīng)用程序中的使用情況進行監(jiān)測，如本文第一部分所述。由于服務(wù)器采用不間斷運行的設(shè)計，因此監(jiān)測能耗有很多好處，例如可通過主動服務(wù)控制提高總體電源效率，能滿足越來越高的能效標(biāo)準(zhǔn) ，允許系統(tǒng)管理員在服務(wù)器的某些部分出現(xiàn)功耗異常（表示未來可能發(fā)生故障）時執(zhí)行預(yù)測性維護。
總結(jié)

就能量監(jiān)測的需求以及系統(tǒng)需要執(zhí)行的其他功能而論，某些方法可能比其他方法更適用。如果嵌入式系統(tǒng)是根據(jù)自身用途專門構(gòu)建，并且需要了解自身功耗或估算能耗，則傳統(tǒng)方法更適用。我們還建議在單片機中加入內(nèi)部ADC，以便最大限度縮減能量監(jiān)測功能的成本。采用這種方法，只需要使用進行電壓和電流檢測的外部模擬電路。如果需要非常高的測量精度而不計BOM成本和功耗，則傳統(tǒng)方法比集成電路更適用。

但在很多情況下，更適合采用集成電路方法。例如，如果想要在操作系統(tǒng)中集成能量測量，就適合采用集成電路方法，因為集成解決方案就是為解決這一問題而構(gòu)建，通過適當(dāng)?shù)尿?qū)動程序，系統(tǒng)能自動識別出能量測量并知道如何操作。能量測量集成電路通常可以測量多個通道（從而監(jiān)測多條總線），因此，在需要監(jiān)測大量總線時，集成解決方案具備明顯優(yōu)勢。此外，同一條通信總線上可以使用多個集成電路（例如I2C或SPI）。另一個更適合采用集成解決方案的情形是，在系統(tǒng)處于功耗極低的睡眠模式或完全關(guān)閉的情況下，在較長的一段時間內(nèi)測量能量。集成的能量監(jiān)測芯片僅消耗極少的功率，并能在特定時段內(nèi)自行累加能量，無需任何系統(tǒng)干預(yù)，而這正是實現(xiàn)集成解決方案的基礎(chǔ)。

對于有較高尺寸要求的高度集成化和密集型PCB（例如手機、平板電腦或筆記本電腦的主板），與等效的分立元件相比，集成電路占用的空間顯然更小。例如，在WLCSP（晶圓級芯片封裝）尺寸的芯片（大小為2.225×2.17mm）中，包含一個能同時監(jiān)測四個通道的能量測量集成電路。

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