能量監測在直流系統中的作用

0   引言

電池供電類(lèi)設備存在已久。然而自手機問(wèn)世以來(lái)，由可充電電池供電的設備數量在過(guò)去二十年呈現出指數級增長(cháng)。截至2018 年，成千上萬(wàn)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。

對于所有便攜式設備而言，功耗都是一個(gè)至關(guān)重要的因素。硬件開(kāi)發(fā)人員越來(lái)越注重在增加功能、減小尺寸、降低成本的同時(shí)，實(shí)現低功耗方案。軟件開(kāi)發(fā)人員也以舊算法為切入點(diǎn)，針對操作系統領(lǐng)域（即通過(guò)能量監測調度）和新興領(lǐng)域（例如機器學(xué)習），研發(fā)新的功率監測方法，力求降低功耗。功率是指瞬時(shí)消耗的能量。如公式1 所示，在電學(xué)中，功率等于瞬時(shí)電壓與電流之積。功率單位為瓦特（W），表示“焦耳每秒”。

公式1- 功率公式

能量等于功率與時(shí)間的乘積。電路消耗能量，電池則存儲能量。功率管理通常是指管理瞬時(shí)電流和電壓，以滿(mǎn)足功率傳輸能力和負載條件。能量監測通常會(huì )提供有關(guān)能耗的信息，從而幫助開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行電池管理和總體功率基準測試。通過(guò)專(zhuān)門(mén)設計的軟件（可根據特定負荷采取相應操作）監視能量時(shí)，即開(kāi)始了主動(dòng)能量管理。

主動(dòng)能量管理可以基于預定義的設置自動(dòng)進(jìn)行，也可以在軟件啟動(dòng)時(shí)手動(dòng)進(jìn)行，其作用是為用戶(hù)提供特定的建議。例如，大多數筆記本電腦在使用電池而不是交流電源運行時(shí)，處理器性能會(huì )自動(dòng)降低，并且改用低功耗、低性能的集成圖形處理器，而不使用專(zhuān)用處理器?？梢躁P(guān)閉筆記本電腦的一些外設，以延長(cháng)電池供電時(shí)間，而用戶(hù)也可能收到降低屏幕亮度或調暗鍵盤(pán)背光的通知。大多數智能手機都提供各種節能選項，當電池電量降至特定水平時(shí)，主動(dòng)能量管理便會(huì )提出使用節能選項的建議，包括關(guān)閉一些現有的互聯(lián)網(wǎng)連接、降低屏幕亮度等。

但類(lèi)似情況并不限于電池供電設備。服務(wù)器會(huì )仔細監測功耗和負荷水平，以確定是否可以完全停止或暫停某些服務(wù)。在虛擬服務(wù)器中，可根據電流總用量和基于統計信息預測的用量增加和縮減應用。對于這類(lèi)服務(wù)器，可以使用虛擬機管理程序完全關(guān)閉某些虛擬機。進(jìn)行調試時(shí)，也可以使用主動(dòng)能量管理。能量監測可提供非常有效的信息，用以確定整個(gè)系統或部分系統是否在界定范圍內運行。

圖1 分壓器電路

1   用于測量直流功率和能量的電路

如前文所述，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(jìn)行精準測量。在一定時(shí)段內測量功率并將結果累加，即得到能量。功耗在大多數情況下都不是恒定值，因此，必須使用一個(gè)選定測量帶寬，在此范圍內對電壓和電流進(jìn)行測量。

直流電壓測量電路的一個(gè)典型示例是圖1 左側所示的簡(jiǎn)單分壓器和右側圖1 所示的緩沖分壓器。這兩個(gè)電路都可以通過(guò)適當的校準提供高精度測量結果，盡管帶緩沖的分壓器比不帶緩沖的分壓器價(jià)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。

雖然借助霍爾效應也可以測量電流（包括直流電流），但本文側重于使用分流電阻測量直流電流，因為后者更常用而且費用更低。分流電阻是一個(gè)低阻值電阻，與電路串聯(lián)。電流流經(jīng)分流電阻時(shí)，分流電阻兩端會(huì )產(chǎn)生一個(gè)小的壓差。該壓差與電流成正比，如公式2 所示，并且通常使用運算放大器進(jìn)行放大。

公式2- 分流電阻兩端的壓差

由于分流電阻與電路的其余部分串聯(lián)，因此可以連接在任意一側：上橋臂（分流電阻的一個(gè)端子直接連接總線(xiàn)電壓），或者下橋臂（分流電阻的一個(gè)端子接地），如圖2 所示。在這兩種情況下，分流電阻都會(huì )出現一個(gè)小的壓差，電路的總電壓會(huì )降低。但是，分流電阻的連接位置會(huì )有一些影響，簡(jiǎn)述如下。

●   如果分流電阻放在下橋臂（圖2 右側），其兩端的電壓將直接接地。由于分流電阻通常很小，其兩端的壓差也很小，因此電流測量電路使用便宜的低壓運算放大器即可非常方便地放大壓差。這對于縮減成本很有幫助。但下橋臂分流有一個(gè)明顯的不足，即整個(gè)電路不再直接接地，而是連接高于接地端電壓的位置。分流電阻兩端的壓差通常以毫伏計。

●   如果將分流電阻連接在上橋臂（圖2 左側），則電路直接接地，可消除地彈反射效應。如果要對電路進(jìn)行精確測量或必須提供精確的輸出，則應選用此連接方法。此方法的唯一缺點(diǎn)是需要使用電壓更高的差分運算放大器電路，并且視運算放大器的帶寬而定，費用也可能會(huì )增加。

圖2 電流測量電路

盡管電壓、電流甚至功率本身都可以通過(guò)模擬電路輕松測量，而且成本很低，但能量測量卻需要使用更復雜的電路來(lái)實(shí)現。然而，傳統的能量測量方法是使用模擬電路測量電壓和電流，然后使用模數轉換器（ADC）將模擬信號轉換為數字信號，將數據輸出到單片機。單片機的作用是對信號隨時(shí)間累加的功率進(jìn)行采樣，從而實(shí)現能量測量。測量能量的典型電路如圖3 所示。

在測量電路中增加單片機既有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)。一方面，在算法計算、監視不同行為和進(jìn)行更詳細的報告方面具有很大的靈活性，例如每小時(shí)、每天等。此外，單片機的作用不僅限于能量測量，還可以觸發(fā)事件、運行自定義狀態(tài)機或滿(mǎn)足工程師的任何需求。而如果系統原本就需要使用單片機，則成本和物料清單（BOM）的增加并不是問(wèn)題。另一方面，使用單片機監測能量的缺點(diǎn)則是測量系統的總功耗、令人討厭的代碼開(kāi)發(fā)工作和開(kāi)銷(xiāo)成本都會(huì )增加，而且視精度要求而定，有時(shí)可能還需要外部ADC。

多年來(lái)，隨著(zhù)業(yè)界對直流能量監測功能的需求不斷增長(cháng)，多種面向此類(lèi)應用的集成電路相繼問(wèn)世。例如Microchip 的PAC1934 集成電路。此類(lèi)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(shí)對多達4 個(gè)通道進(jìn)行采樣?；倦娐穲D如圖4 所示。電路中集成了運算放大器、ADC、算術(shù)運算邏輯、存儲器和用于連接系統的標準接口（通常為I2C 或SPI）。

與傳統方法相比，使用集成電路的優(yōu)勢在成本方面尤為明顯，這是因為在一個(gè)集成電路中集成了能量測量所需的一切，使BOM 和PCB 尺寸顯著(zhù)降低。

圖3 典型的能量測量電路

2   主動(dòng)能量監測的優(yōu)勢

憑借適合大多數用例的靈活配置，專(zhuān)用集成電路能夠以極低的功耗在長(cháng)時(shí)段內累加功率。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(shí)，可以累加超過(guò)36 小時(shí)的功率，并且電流小于16 μA，同時(shí)4 個(gè)通道全部有效且以16 位的分辨率運行，無(wú)需軟件干預。此方法允許采樣率動(dòng)態(tài)變化，從而可以擴大應用范圍。例如在標準筆記本電腦中使用集成電路監測電源軌。當筆記本電腦處于運行和活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，能夠以1 024 SPS 的采樣率進(jìn)行監測，而當筆記本電腦處于掛起狀態(tài)時(shí)，監測速度可能降到8 SPS，因為在掛起狀態(tài)下，功耗不會(huì )有太大的波動(dòng)。此外，降低采樣率可以減少能量監測的功耗，而不會(huì )影響性能。

主動(dòng)能量監測最常見(jiàn)的一個(gè)用例是電池電量計量。專(zhuān)用集成電路可監測電池的電壓和電流，隨時(shí)獲知當前電池電量。更先進(jìn)的電池電量計還可以檢測到電池遇到了特定問(wèn)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關(guān)系，則意味著(zhù)電池的總容量因老化或其他因素而縮減。主動(dòng)能量監測也是標準電池管理系統（BMS）的核心。BMS 是多節電池組所使用的電路，負責對電池組進(jìn)行安全充電和放電，并主動(dòng)測量其電壓和電流，確保每節電池的參數都相同。BMS 的功能還包括檢測故障電池，或在電壓過(guò)高或過(guò)低時(shí)斷開(kāi)電池組。

主動(dòng)能量監測的另一個(gè)常見(jiàn)應用是與智能手機和平板電腦上的操作系統以及筆記本電腦、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，操作系統通過(guò)各種方法監測不同服務(wù)和應用程序所消耗的電量。在早期階段，系統不直接測量能量，而是使用表格數據獲取各個(gè)工作點(diǎn)的功耗，基于CPU、GPU 和屏幕使用情況估算能量。估算出的能耗數據以統計數據的形式報告，便于用戶(hù)決定如何進(jìn)一步操作設備。自Windows 8 起，Microsoft 在筆記本電腦和個(gè)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(lèi)似，能夠根據各種資源的使用情況（處理器、圖形、磁盤(pán)、存儲器、網(wǎng)絡(luò )和顯示器等）來(lái)估算每項任務(wù)的功耗，從而實(shí)現功耗跟蹤。E3 還引入了能量計量接口（EMI），系統制造商可以通過(guò)該接口為系統添加實(shí)際可用的能量測量傳感器，并進(jìn)行相應聲明。如果加入了此類(lèi)傳感器，E3 會(huì )利用這些傳感器準確地測量功率和能量，而不是只進(jìn)行估算。某些筆記本電腦制造商已在其產(chǎn)品中實(shí)現了這些功能。此外，過(guò)去還存在一些其他的方法（例如Sony 在Vaio 筆記本中實(shí)現的能量監測），但沒(méi)有支持這些方法的操作系統，只有專(zhuān)有應用程序才能訪(fǎng)問(wèn)相關(guān)數據。Linux 尚未提供與Microsoft E3 相當的工具，但據報道稱(chēng)，他們已著(zhù)手進(jìn)行相關(guān)工作。

工業(yè)I/O 子系統[1] 支持在操作系統中加入各種傳感器，為用戶(hù)空間的應用程序提供非常簡(jiǎn)單且功能強大的接口（基于文件的接口）。然而，在本文撰寫(xiě)之時(shí)，工業(yè)I/O 子系統仍是內核的擴展，而不是默認Linux 架構的組成部分。Linux 還支持能量監測調度^[2] 和智能功率分配，這是一種用于嵌入式Linux 領(lǐng)域的算法，可幫助系統決定如何調度不同的任務(wù)，同時(shí)對熱問(wèn)題予以考量（能耗導致CPU/GPU 發(fā)熱）。

能量測量集成電路的另一個(gè)值得關(guān)注的應用，是對USB 功率和能量（出于各種原因）[1-3] 以及在服務(wù)器應用程序中的使用情況進(jìn)行監測，如本文第一部分所述。由于服務(wù)器采用不間斷運行的設計，因此監測能耗有很多好處，例如可通過(guò)主動(dòng)服務(wù)控制提高總體電源效率，能滿(mǎn)足越來(lái)越高的能效標準[4]，允許系統管理員在服務(wù)器的某些部分出現功耗異常（表示未來(lái)可能發(fā)生故障）時(shí)執行預測性維護。

3   總結

就能量監測的需求以及系統需要執行的其他功能而論，某些方法可能比其他方法更適用。如果嵌入式系統是根據自身用途專(zhuān)門(mén)構建，并且需要了解自身功耗或估算能耗，則傳統方法更適用。我們還建議在單片機中加入內部ADC，以便最大限度縮減能量監測功能的成本。采用這種方法，只需要使用進(jìn)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(wèn)題而構建，通過(guò)適當的驅動(dòng)程序，系統能自動(dòng)識別出能量測量并知道如何操作。能量測量集成電路通?？梢詼y量多個(gè)通道（從而監測多條總線(xiàn)），因此，在需要監測大量總線(xiàn)時(shí)，集成解決方案具備明顯優(yōu)勢。

此外，同一條通信總線(xiàn)上可以使用多個(gè)集成電路（例如I²C 或SPI）。另一個(gè)更適合采用集成解決方案的情形是，在系統處于功耗極低的睡眠模式或完全關(guān)閉的情況下，在較長(cháng)的一段時(shí)間內測量能量。集成的能量監測芯片僅消耗極少的功率，并能在特定時(shí)段內自行累加能量，無(wú)需任何系統干預，而這正是實(shí)現集成解決方案的基礎。

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 mm×2.17 mm）中，包含一個(gè)能同時(shí)監測四個(gè)通道的能量測量集成電路。

參考文獻：

[1] The Linux driver implementer’s API guide:Industrial I/O[EB/OL].[2015].https://www.kernel.org/doc/html/v4.16/driver-api/iio/index.html.

[2] Energy Aware Scheduling (EAS)[R/OL].https://developer.arm.com/open-source/energy-aware-scheduling.

[3] GEERLING J.Review: Satechi USB Type-C inline PowerMeter (ST-TCPM)[R/OL].[2017-2-5].https://www.jeffgeerling.com/blog/2017/review-satechi-usb-type-c-inline-powermeter-st-tcpm.

[4] https://www.energystar.gov.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2021年2月期）