Conteo corto de culombios en escala de tiempo

Existen muchos chips de contador de culombio que miden la corriente integrada que entra o sale de una batería con el fin de estimar el estado de carga. ¿Hay algún buen chip para circuitos fáciles con el fin de medir cuánta carga utiliza una operación en particular que puede tardar entre 1 y 500 ms? Ninguno de los chips de conteo de carga que he visto ofrece una buena resolución en escalas de tiempo cortas. Un chip típico, por ejemplo, generaría aproximadamente dos conteos por segundo a la corriente de entrada máxima; Si una operación requiere, por ejemplo, 100 mA durante 10 ms y 25 mA durante 90 ms, un contador de culombio que generaría dos conteos por segundo a la corriente máxima (100 mA) ofrecería un conteo por 50 mC. La operación descrita consumiría 3,25 mC, por lo que el contador solo produciría un recuento cada 15 operaciones.

Un enfoque que estaba considerando sería utilizar una fuente de alimentación de conmutación de modo discontinuo, que funciona desde un voltaje de entrada regulado, y contar el número de pulsos de conmutación. Eso debería producir un conteo de alta resolución; si la fuente de alimentación conmutada siempre usa la misma cantidad de corriente en cada pulso, y si la corriente siempre cae a cero entre pulsos, el número de pulsos debe ser directamente proporcional a la corriente integrada total. Desafortunadamente, esa no es la forma más eficiente de operar un conmutador, y la mayoría de los conmutadores intentan operar de manera más eficiente que eso.

Suponiendo que el voltaje de suministro sea de 3 o 6 voltios, la corriente máxima es de 250 mA y el objetivo es tener una eficiencia mínima del 50% y una disipación de reposo de 3 mW, ¿cuál sería el mejor enfoque?

Apéndice

Aunque me gustaría tener un enfoque de medición de propósito general, la aplicación particular que tengo en mente es determinar qué factores afectan el consumo de energía de varios módulos de RF "inteligentes" que se utilizarán en exteriores. Por ejemplo, si los módulos normalmente consumen un mA cada 15 segundos para mantener una malla, pero durante una tormenta, algunos de los módulos ocasionalmente comenzarán a consumir 10 ms por segundo durante un par de minutos, sería útil saber ese tipo de cosas. Si por alguna razón la corriente inactiva que normalmente se encuentra en 25uA a veces sube a 40uA, me gustaría saber eso también.

Muchos dispositivos integradores de carga funcionan midiendo la corriente instantánea e integrando los valores medidos. Mi preocupación con eso es que la corriente instantánea tendrá un rango dinámico bastante grande (me gustaría, si es posible, tener una precisión de 10 uA en situaciones de baja corriente, pero ser capaz de capturar eventos de hasta 250 mA), y tomar lecturas con eso El nivel de previsión lo suficientemente rápido como para garantizar que incluso los eventos cortos se integren con precisión parecería un poco complicado.

Una solución en la que estoy pensando sería utilizar un PIC con un comparador analógico incorporado o externo, que funcione con 3.30 voltios regulados; siempre que la salida sea inferior a 3,10 voltios, encienda un PFET con una resistencia en serie ajustada para pasar 0,50 A con una caída de 0,20 voltios. Si hay un límite suficiente en la salida, el PIC debería poder dormir siempre que haya un voltaje adecuado en la salida; cuando el voltaje cae por debajo de 3,10 voltios, el PIC podría despertarse, alimentar pulsos al PFET hasta que el voltaje vuelva a superar los 3,10 voltios y, si la carga no tomó demasiados pulsos, "volver a la cama".

Esperaría que la precisión de la escala de medición se vea afectada por la precisión del reloj del PIC, la resistencia combinada efectiva del PFET y la resistencia en serie, y la comparación del voltaje de salida a 3.10 voltios, la regulación de la entrada de 3.30 voltios. La precisión de la compensación de medición sería puramente una función de la fuga.

Si el objetivo es tener una precisión general del 10%, el PIC generalmente debería mantener su salida dentro de 0.02V del objetivo. Frente a una carga de 250 mA, un límite de 1000uF caería 0.250V / ms. Mantener la caída de voltaje por debajo de 0.02 voltios requeriría que el PIC se active dentro de 80us, lo que creo que probablemente sea factible con los PIC basados ​​en osciladores RC.

No es difícil integrar la corriente. Si estás dispuesto a rodar el tuyo, tendrás un control completo sobre las especificaciones.

Como probablemente sepa, un condensador tiene las relaciones Q = CV y $Q = \int i \cdot dt$ .

Una forma en que veo desde la parte superior de mi cabeza para hacer esto es crear un espejo actual para cargar una tapa. Leer todo el voltaje de la tapa es todo lo que se necesita. Puede obtener tapas tan precisas como necesite y hay muchas configuraciones de espejo actuales precisas.

Con tal método, realmente puede obtener la cantidad de complejidad que necesita. Podría tener múltiples resoluciones (múltiples espejos y tapas de diferentes tamaños). Puede usar amplificadores operacionales para mejorar la resolución y crear un reinicio simple.

Por supuesto, no es tan simple como usar un chip, pero como ya has dicho, no puedes encontrar ningún chip que se adapte a tus necesidades.

Puede ser posible utilizar la detección de corriente (incluso proximidad), pero no estoy seguro de la precisión que obtendrá. Por ejemplo, si su carga es bastante baja, podría pegar una resistencia de 1ohm en serie. El voltaje a través de la resistencia es entonces igual a la corriente. Integre esto (digamos, usando un amplificador operacional) y tendrá la carga. La eficiencia aquí sería mucho mayor, casi cercana a la unidad, mientras que el método de espejo actual será ligeramente inferior al 50%.

Sugeriría un enfoque diferente: conecte una pequeña resistencia (por ejemplo, 0.1 Ohm 1% o mejor; la resistencia exacta dependerá de la corriente de carga y la precisión que intente lograr) en serie con la batería y a través de ella un lado alto amplificador de detección de corriente (por ejemplo, MAX4173) y conéctelo a un DAC (hay microcontroladores que vienen con DAC en su interior). De esta manera, puede medir la corriente en tiempo real (dependiendo de su frecuencia de muestreo, por supuesto) y puede hacer la integración en línea o después de procesarla (nuevamente, dependiendo de lo que tenga y de lo que quiera lograr).

¿Ha considerado mirar lo que otras personas usan para la medición de corriente a corto plazo?

Dr. Sergei Skorobogatov. "Ataques de canal lateral: nuevas direcciones y horizontes" . Universidad de Cambridge 2011. menciona "un osciloscopio y una pequeña resistencia en la línea de alimentación"

Eric Guo. El "Tutorial de SHA-3 sobre SASEBO-GII" 2010. menciona una resistencia de 1 Ohm entre VCC y el dispositivo.

Prof. Jean-Jacques Quisquater y Francois Koeune. "Ataques de canal lateral" . 2002 menciona una resistencia de 50 ohmios "insertada en serie con la entrada de potencia o tierra. La diferencia de voltaje a través de la resistencia dividida por la resistencia produce la corriente".

Paul Kocher · Joshua Jaffe · Benjamin Jun · Pankaj Rohatgi. "Introducción al análisis de potencia diferencial" . 2011 menciona "Si bien una resistencia en serie con una línea de alimentación o de tierra es la forma más sencilla de obtener rastros de potencia, también hemos tenido éxito explotando la resistencia interna de las baterías y las fuentes de alimentación internas".