Med bara en krets, tillsammans med en liten mikroprocessor, kan man övervaka energiförbrukningen i likströmssystem med upp till 100 V spänning.

I dagens kraftmedvetna elektronikvärld används begreppen “energiövervakning” och “effektövervakning” ofta som vore de utbytbara. Fast egentligen har de något olika betydelser, tillämpningar och fördelar.
Energi definieras ofta som den mängd kraft som förbrukas över en viss tid och mäts i joule (J) eller kilowattimmar (kWh), medan effekt är en konstant nivå av energiförbrukning, som mäts i watt (W).
Medan en märkeffekt normalt används för att visa hur mycket el en utrustning kommer att förbruka vid ett visst tillfälle, är det i efterhand möjligt att bekräfta hur mycket elenergi som faktiskt förbrukades under en viss definierad tidsperiod.
Så, medan de “gröna” målen för energi- och effektövervakning i slutänden kan vara desamma, kan energiövervakning vara till större nytta i flertalet tillämpningar med hänsyn till att att effektnivån kan förändras över tiden.

Breddad energiövervakning
Med undantag av AC-laster håller energiövervakning på att bli mer populär och är redan etablerad inom en handfull tillämpningar för DC-last. Handhållna, rackmonterade och integrerade (“in-line”) energimätare är lättillgängliga. De kan exempelvis användas anläggningschefer som vill följa och tilldela energi till exempelvis utrustning eller enheter. Detta kan även inkludera lastprofilering, där förväntade förbrukningsmönster jämförs för att visa på elanvändning. Dessutom kan problemområden identifieras utifrån avvikelser från modellerade energimönster.
Genom att storleksbestämma laster kan användare bestämma hur många lampor, datorer, batterier, med mera som kan kopplas till ett system vid en viss tidpunkt.
Energi- eller kraftövervakning är naturligtvis även användbart inom tillämpningar för förnybar energi, som exempelvis vindkraftverk eller solpaneler, och övervakning av hur mycket DC-elektricitet som genereras. Eldrivna cyklar och bilar kan på liknande sätt rapportera energianvändningen per kilometer och kvantifiera den energi som uttas från eller tillförs till ett batteri.

Diskreta lösningar
Diskreta kraftövervakningslösningar kan visserligen byggas med en styrkrets och en handfull andra komponenter, men det för med sig systemöverbyggnad till följd av kontinuerlig dataavhämtning för beräkning och analys.
En bra kraftövervakningskrets ger en enkel lösning som gör att värden kan avlastas sådana tunga uppgifter, där kombinationen av uppmätta parametrar, som inkluderar spännings-, ström-, effekt- och energinivåer, ger omedelbar insikt i ett systems hälsotillstånd.
Programmerbara tröskellarm kan vara allt som behövs för att fel ska upptäckas tidigt, så att förebyggande åtgärder kan vidtas innan felen får katastrofala följder.
Alternativet är att systemen optimeras utifrån specifika användningsmönster; med hjälp av sådan information kan värdefulla resurser omfördelas, så att underutnyttjade delar avlastar överutnyttjade delar.

Kraftövervakningsmodellen
Kraftövervakare kan konstrueras på många olika sätt, vilket inte är överraskande med tanke på att det krävs en rad olika komponenter för att övervaka kraftanvändningen i ett system.  För att mäta ström behövs ett avkänningsmotstånd och en förstärkare. Det är mest praktiskt om förstärkarens “common-mode”-område sträcker sig till det positiva området och omvandlar och relaterar dess utgång till jord.
Noggranna motståndsdelare krävs för att mäta spänning. Om mer än en spänning ska mätas måste en multiplexerare också läggas till listan. Därefter tillkommer en flerkanalig analog-till-digital omvandlare (A/D-omvandlare) med en noggrann referens och något sätt att ansluta till en styrkrets, samtidigt som den eventuellt delar I/O-linjer med intilliggande kretsar.
A/D-omvandlingarna måste synkroniseras till styrkretsens tidbas så att tiden kan spåras. Styrkretsen måste också multiplicera spänning och ström för effektberäkningar och summera dessa effektvärden över den period under vilken energin ska beräknas.  
Om minsta och högsta värden eller varningar behöver detekteras måste ytterligare kod skrivas och kontinuerligt exekveras.  På grund av den sammanlagda komplexiteten och svårigheten att hitta lämpliga komponenter är kraftövervakning en utmärkt kandidat för integrerade lösningar.

Integrerad lösning
Genom att integrera alla nödvändiga funktionsblock i en liten 4×3 mm QFN- eller MSOP-kapsel möjliggör Linear Technologys LTC2946 praktisk kraftövervakning i en rad olika tillämpningar där en diskret lösning vore otänkbar på grund av utrymme, komplexitet eller kostnad.
LTC2946 kan försörjas med så låg spänning som 2,7 V, men kan övervaka spänning och ström i matningsledningar från 0 V till 100 V, liksom sin egen matningsspänning och ytterligare en spänningsingång. En inbyggd shuntregulator ger stöd för kraftmatning på över 100 V.
För att ge ökad flexibilitet är avkänningsmotståndet externt. Det möjliggör för LTC2946 att noga övervaka ström från milliampere till tiotals ampere eller mer. A/D-omvandlaren har 12-bitars upplösning och ett högsta totalt ojusterat fel (TUE) på 0,4 procent för spänning och 0,6 procent för ström. Den extra AD-ingången (AD_IN-benet), även den med TUE på endast 0,3 procent, kan utnyttjas för att övervaka reservfunktioner.  LTC2946 integrerar även en digital multiplikator, som beräknar ett 24-bitars effektresultat, liksom en ackumulator och oscillator, som beräknar 32-bitars kraft- och laddningsresultat.  Samtliga värden, mätningar, status och användarkonfigurationer lagras i I²C-åtkomliga register.

Fig 1. Förenklat blockschema för LTC2946

LTC2946 återfinns i många komplicerade, utrymmesbegränsade tillämpningar inkluderande RAID-, telekom-, transport- och solövervakningssystem samt industriella dator-/styrsystem. Kretsen behöver bara några få anslutningar. Fig 2 visar en LTC2946 som övervakar ingående spänning och ström hos en 3,3 V styrkrets, som matas med 12 V. De enda externa komponenter som behövs är ett avkänningsmotstånd och tre “pull-up”-motstånd.

Fig 2. LTC2946 kraftmäter på högsidan.

Tack vare ett brett ”rail-to-rail”-område kan LTC2946 användas i många olika låg- och högspänningssystem. Matnings- och avkänningsben märkta för absolut maximalt 100 V ger breda marginaler, för exempelvis tillämpningar för 48 V eller -48 V. Men förmågan att övervaka även noll volt är minst lika användbar för övervakning av strömnivåer vid kortslutning eller strömavbrott: Felaktiga strömnivåer vid noll volt visar omedelbart på fel i kraftförsörjning eller last, utan ytterligare kretsar.
Den interna 12-bitars ΣΔ-omvandlaren jämnar ut ingångsbruset över mätområdet, så arbete i brusiga miljöer är inget problem.  I scanningsläge övervakar A/D-omvandlaren kontinuerligt den differentiella avkänningsspänningen, matnings- eller positiva avkänningsspänningen samt inspänning från den extra A/D-omvandlaren sekventiellt med upplösning på 25 µV, 25 mV respektive 0,5 mV.  Omvandlingen har en effektiv aktualiseringsfrekvens på upp till 20 Hz i kontinuerligt scanningsläge (beroende på hur ofta intern kalibrering utförs), även om användare även kan utnyttja ett “ögonblicks”-läge för mätning av enstaka valbara ingångar.  Kretsar för övervakning av hög spänning har oftast hög ström i obelastat läge och är därför olämpliga att använda för tillämpningar där målet är att spara energi; LTC2946 förbrukar dock endast 0,9 mA, när den övervakar en matning på 48 V, och kan stängas av så att strömförbrukningen minskar till bara 15 µA.

Kraftövervakaren hämtar kraft
LTC2946 kan hämta kraft från en rad olika spänningskällor, vilket drastiskt förenklar konstruktionsprocessen oavsett tillämpning.  Fig 3a visar hur LTC2946 kan användas för att övervaka en matning på mellan 4 V och 80 V. Ingen sekundär förspänning behövs eftersom anslutningsbenet för spänningsmatning VDD kan kopplas direkt till den övervakade matningen. Om LTC2946 används för att övervaka matning som går så lågt som 0 V kan den hämta kraft från en rad olika sekundärkällor anslutna till VDD såsom visas i fig 3b. Vid så låg spänningsmatning som 2,7 V kan LTC2946 konfigureras som i fig 3c för att minimera kraftförbrukningen.

Fig 3a. LTC2946 hämtar kraft från den matning som övervakas.

Fig 3b. LTC2946 hämtar kraft från en rad olika sekundärkällor.

Fig 3c. LTC2946 hämtar kraft från sekundärmatning med låg spänning.

För matning på över ±100 V kan den inbyggda linjära regulatorn vid INTV_CC-benet användas i såväl låg- som högsideskonfigurationer för att tillhandahålla kraft till LTC2946 via ett externt shuntmotstånd. Fig 4a visar en spänningsövervakare på högsidan med ett ingående övervakningsområde på mer än 100 V i en konfiguration med shunt på högsidan. LTC2946s jord är skild från kretsens jord via R_SHUNT och är låst till 6,3 V under inspänningen. På grund av de olika jordnivåerna måste LTC2946s I²C-signaler nivåskiftas för kommunikation med andra komponenter med jordreferens; en strömspegel behövs också för att mäta den externa spänningen på den extra A/D-ingången.  Fig 4b visar en LTC2946 som hämtar kraft från matning på mer än -100 V. Här möjliggör konfigurationen med shuntregulator på lågsidan drift genom att spänningen på INTV_CC är låst till 6,3 V över inspänningen, vilket i detta fall är en negativ matning.
Såsom visas i fig 4c krävs inget shuntmotstånd om inspänningen och transienterna är begränsade till under -100 V, då V_DD mäter matningsspänningen vid kretsens jord i förhållande till LTC2946s jord.

Fig 4a. LTC2946 hämtar kraft via shuntregulator på högsidan.

Fig 4b. LTC2946 hämtar kraft via shuntregulator på lågsidan i topologi med strömavkänning på lågsidan.

Fig 4c. LTC2946 hämtar kraft från den övervakade matningen i topologi med strömavkänning på lågsidan.

Praktiska digitala egenskaper
I linje med de flexibla kraftmatningsalternativen inkluderar LTC2946 även en mängd praktiska digitala egenskaper som förenklar konstruktionsarbetet. Den mest uppenbara digitala egenskapen är integreringen av en digital multiplikator och ackumulator som ger användare 24-bitars effektvärden och 32-bitars kraft- och laddningsvärden, vilket gör att värden slipper att efterfråga spännings- och strömdata och utföra extra beräkningar. LTC2946 beräknar effekten genom att multiplicera 12-bitars uppmätt ström med 12-bitars uppmätt spänning. Vid kontinuerligt arbete mäts den differentiella avkänningsspänningen för att ge lastströmdata.
Spänningsdata kan dock anges för antingen matningsspänningen, den positiva avkänningsspänningen eller den extra A/D-inspänningen. Ett 24-bitars effektvärde beräknas sedan varje gång en strömmätning görs. Kraft- och laddningsackumulatorerna tillförs efterhand kraft- och strömdata och kan lagra flera månaders data vid nominella ström- och kraftnivåer.
LTC2946 har register för minsta och högsta ström, spänning och effekt, vilket utesluter behovet av kontinuerlig programvarubaserad avfrågning och frigör I²C-bussen och värden att utföra andra uppgifter. Utöver att detektera och spara min-/maxvärden har LTC2946 resister för min-/maxgränser som kan användas för att utfärda varningar om någon gräns överskrids, vilket återigen gör att styrkretsen inte hela tiden måste efterfråga och analysera data från LTC2946.
LTC2946 kan även konfigureras att generera en varning när en fastställd mängd kraft eller laddning har levererats eller efter förinställd mängd tid. För en kraftövervakare kan ett varnande svar vara lika värdefullt som min-/max-register.
Fig 5 visar hur LTC2946 genererar en varningssignal via program- och maskinvara.
Uppmätta data jämförs med användardefinierade tröskelvärden; trösklar för överspänning, underspänning, överström, underström och för hög eller för låg effekt kan definieras och övervakas samtidigt.  Ett statusregister informerar sedan användaren vilken parametertröskel som har överskridits, medan faktiska felvärden sparas i ett annat register och kan efterfrågas vid ett senare tillfälle.
Ett separat varningsregister gör att användare kan välja vilka parametrar som ska svara enligt SMBussens svarsprotokoll, varifrån varningssvaret adress (ARA, Alert Response Address) utsänds och ALERT-benet dras ned lågt för att varna värden.

Fig 5. LTC2946s generering av felvarningar.

LTC2946 utnyttjar ett standardgränssnitt för I²C med unika förbättringar för kommunikation med omvärlden.  Det finns nio I²C-kretsadresser så flera LTC2946er kan lätt konstrueras in i samma system.
Samtliga LTC2946-kretsar har en gemensam adress, vilket gör att bussmastern kan skriva till flera LTC2946er samtidigt, oavsett deras enskilda adresser. En särskild timer återställer det interna I²C-läget för att möjliggöra att normal kommunikation återupptas om I²C-signalerna hålls låga under mer än 33 ms (om bussen fastnat, ”stuck bus”).
En delad linje för I²C-data utesluter praktiskt behovet av I2C-delare eller -kombinerare för dubbelriktad sändning och mottagning av data över isolerade gränser.  LTC2946-1-alternativet har dessutom en inverterad datautgång för användning i konfigurationer med inverterade optoisolatorer.

Mångsidig övervakare
LTC2946 är en mångsidig spänningsövervakare på kortnivå, som kan användas för en rad olika tillämpningar och som ger användare en enkel men effektiv metod för att övervaka ström, spänning, effekt, energi, laddning och tid. Högpresterande byggblock gör att LTC2946 lätt och med klassens bästa noggrannhet kan övervaka positiv och negativ spänning från 0 V till 100 V.
Användare kan välja bland en rad olika kraftmatningsalternativ tack vare oberoende anslutningsben för högspänningsövervakning och kraftmatning samt en inbyggd regulator som stöder matning på över 100 V. LTC2946s analoga styrka matchas av dess digitala egenskaper, som minskar de krav som ställs på värden, och som inkluderar en multiplikator, ackumulator, min-/maxregister, konfigurerbara varningar och ett mycket avancerat I²C-gränssnitt.

Filed under: Matteknik