Kurzzeit-Coulomb-Zählung

Es gibt viele Coulomb-Zählerchips, die den integrierten Strom messen, der in oder aus einer Batterie fließt, um den Ladezustand abzuschätzen. Gibt es gute Chips für einfache Schaltungen, um zu messen, wie viel Ladung von einem bestimmten Vorgang verbraucht wird, der 1-500 ms dauern kann? Keiner der von mir betrachteten Ladungszählchips bietet eine gute Auflösung auf kurzen Zeitskalen. Ein typischer Chip würde beispielsweise ungefähr zwei Zählungen pro Sekunde bei maximalem Eingangsstrom ausgeben; Wenn eine Operation z. B. 100 mA für 10 ms und 25 mA für 90 ms erfordert, bietet ein Coulomb-Zähler, der bei maximalem Strom (100 mA) zwei Zählungen pro Sekunde ausgibt, eine Zählung pro 50 mA. Die beschriebene Operation würde 3,25 mC verbrauchen, so dass der Zähler nur eine Zählung alle 15 Operationen ergeben würde.

Ein Ansatz, den ich in Betracht gezogen habe, wäre die Verwendung eines Schaltnetzteils im diskontinuierlichen Modus, das mit einer geregelten Eingangsspannung betrieben wird, und die Anzahl der Umschalterimpulse. Das sollte eine hochauflösende Zählung ergeben; Wenn die Schaltstromversorgung in jedem Impuls immer die gleiche Strommenge verwendet hat und der Strom zwischen den Impulsen immer auf Null gefallen ist, sollte die Anzahl der Impulse direkt proportional zum gesamten integrierten Strom sein. Leider ist dies nicht die effizienteste Art, einen Umschalter zu bedienen, und die meisten Umschalter versuchen, effizienter zu arbeiten.

Angenommen, die Versorgungsspannung beträgt entweder 3 oder 6 Volt, der maximale Strom beträgt 250 mA und das Ziel ist ein Wirkungsgrad von mindestens 50% und eine Verlustleistung von 3 mW im Ruhezustand. Was wäre der beste Ansatz?

Nachtrag

Obwohl ich einen universellen Messansatz haben möchte, ist die spezielle Anwendung, die ich im Auge habe, die Bestimmung, welche Faktoren den Energieverbrauch verschiedener "intelligenter" HF-Module beeinflussen, die im Freien verwendet werden. Wenn die Module beispielsweise normalerweise alle 15 Sekunden einen mA verbrauchen, um ein Netz aufrechtzuerhalten, aber während eines Regensturms einige der Module gelegentlich für ein paar Minuten 10 mA pro Sekunde verbrauchen, wäre es nützlich, dies zu wissen. Wenn aus irgendeinem Grund der Leerlaufstrom, der normalerweise bei 25 uA liegt, manchmal auf 40 uA steigt, würde ich das auch gerne wissen.

Viele ladungsintegrierende Geräte messen den Momentanstrom und integrieren die gemessenen Werte. Mein Anliegen dabei ist, dass der Momentanstrom einen ziemlich großen Dynamikbereich hat (ich möchte in Situationen mit geringem Strom möglichst auf 10 uA genau sein, aber Ereignisse bis zu 250 mA erfassen können) und damit Messwerte erfassen Das Maß an Präzision, das schnell genug ist, um sicherzustellen, dass auch kurze Ereignisse genau integriert werden, erscheint etwas schwierig.

Eine Lösung, an die ich denke, wäre die Verwendung eines PIC mit einem eingebauten oder externen analogen Komparator, der mit geregelten 3,30 Volt betrieben wird. Wenn der Ausgang unter 3,10 Volt liegt, schalten Sie einen PFET mit einem Vorwiderstand ein, der so eingestellt ist, dass er 0,50 A mit einem Abfall von 0,20 Volt durchlässt. Wenn der Ausgang ausreichend begrenzt ist, sollte der PIC in der Lage sein, zu schlafen, wenn am Ausgang eine ausreichende Spannung anliegt. Wenn die Spannung unter 3,10 Volt fällt, kann der PIC aufwachen, dem PFET Impulse zuführen, bis die Spannung wieder über 3,10 Volt liegt, und wenn das Laden nicht zu viele Impulse benötigt, "wieder ins Bett gehen".

Ich würde erwarten, dass die Genauigkeit der Messskala durch die Genauigkeit des PIC-Takts, den effektiven kombinierten Widerstand des PFET und des Vorwiderstands sowie den Vergleich der Ausgangsspannung mit 3,10 Volt und die Regulierung des 3,30-Volt-Eingangs beeinflusst wird. Die Genauigkeit des Messversatzes wäre lediglich eine Funktion der Leckage.

Wenn das Ziel eine Gesamtgenauigkeit von 10% sein soll, müsste der PIC seine Leistung im Allgemeinen innerhalb von 0,02 V des Ziels halten. Bei einer Last von 250 mA würde eine 1000-uF-Kappe um 0,250 V / ms abfallen. Um den Spannungsabfall unter 0,02 Volt zu halten, müsste der PIC innerhalb von 80 us aufwachen, was meiner Meinung nach mit den RC-Oszillator-basierten PICs wahrscheinlich machbar ist.

Es ist nicht schwierig, Strom zu integrieren. Wenn Sie bereit sind, Ihre eigenen zu würfeln, haben Sie die vollständige Kontrolle über die Spezifikationen.

Wie Sie wahrscheinlich wissen, hat ein Kondensator die Beziehungen Q = CV und .$Q = \int i \cdot dt$

Eine Möglichkeit, dies auf der Oberseite meines Kopfes zu sehen, besteht darin, einen Stromspiegel zum Laden einer Kappe zu erstellen. Das Ablesen der Spannung der Kappe ist alles, was benötigt wird. Sie können Kappen so genau erhalten, wie Sie es benötigen, und es gibt viele genaue aktuelle Spiegelkonfigurationen.

Mit einer solchen Methode können Sie wirklich jede Menge Komplexität erhalten, die Sie benötigen. Sie können mehrere Auflösungen haben (mehrere Spiegel und Kappen unterschiedlicher Größe). Sie können Operationsverstärker verwenden, um die Auflösung zu verbessern und einen einfachen Reset zu erstellen.

Natürlich ist es nicht so einfach wie die Verwendung eines Chips, aber wie Sie bereits festgestellt haben, können Sie keine Chips finden, die Ihren Anforderungen entsprechen.

Möglicherweise wird die Stromerfassung (auch die Nähe) verwendet, aber ich bin mir nicht sicher, welche Genauigkeit Sie erhalten werden. Wenn Ihre Last beispielsweise ziemlich niedrig ist, können Sie einen 1-Ohm-Widerstand in Reihe schalten. Die Spannung am Widerstand ist dann gleich dem Strom. Integrieren Sie dies (z. B. mit einem Operationsverstärker) und Sie haben die Ladung. Der Wirkungsgrad wäre hier viel größer, fast gleich eins, während die derzeitige Spiegelmethode etwas weniger als 50% betragen wird.

Ich würde einen anderen Ansatz vorschlagen: Schließen Sie einen kleinen Widerstand (z. B. 0,1 Ohm 1% oder besser - der genaue Widerstand sollte von Ihrem Laststrom und der Genauigkeit abhängen, die Sie erreichen möchten) in Reihe mit der Batterie und über eine hohe Seite Stromerfassungsverstärker (z. B. MAX4173) und schließen Sie ihn an einen DAC an (es gibt Mikrocontroller, in denen DACs enthalten sind). Auf diese Weise können Sie den Strom in Echtzeit messen (natürlich abhängig von Ihrer Abtastfrequenz) und die Integration online durchführen oder nachbearbeiten (wiederum abhängig davon, was Sie haben und was Sie erreichen möchten).

Haben Sie darüber nachgedacht, was andere Personen für die kurzfristige Strommessung verwenden?

Dr. Sergei Skorobogatov. "Seitenkanalangriffe: neue Richtungen und Horizonte" . University of Cambridge 2011. erwähnt "ein Oszilloskop und einen kleinen Widerstand in der Stromversorgungsleitung"

Eric Guo. "Tutorial von SHA-3 auf SASEBO-GII" 2010. erwähnt einen 1 Ohm Widerstand zwischen VCC und dem Gerät.

Prof. Jean-Jacques Quisquater und Francois Koeune. "Seitenkanalangriffe" . 2002 erwähnt einen 50-Ohm-Widerstand, "der in Reihe mit dem Leistungs- oder Masseeingang geschaltet ist. Die Spannungsdifferenz über dem Widerstand geteilt durch den Widerstand ergibt den Strom."

Paul Kocher · Joshua Jaffe · Benjamin Jun · Pankaj Rohatgi. "Einführung in die Differenzleistungsanalyse" . 2011 erwähnt "Während ein Widerstand in Reihe mit einer Strom- oder Erdungsleitung der einfachste Weg ist, Stromspuren zu erhalten, haben wir auch erfolgreich den Innenwiderstand von Batterien und internen Stromversorgungen ausgenutzt."