Contagem de coulomb em escala de tempo curto

Existem muitos chips de contador de coulomb que medem a corrente integrada que entra ou sai de uma bateria para fins de estimativa do estado de carga. Existem chips bons para circuitos fáceis com o objetivo de medir quanta carga é usada por uma operação específica que pode levar de 1 a 500 ms? Nenhum dos chips de contagem de carga que eu olhei oferecem boa resolução em escalas de tempo curtas. Um chip típico, por exemplo, produziria aproximadamente duas contagens por segundo na corrente máxima de entrada; se uma operação exigir, por exemplo, 100mA por 10ms e 25mA por 90ms, um contador de coulomb que produziria duas contagens por segundo na corrente máxima (100mA) ofereceria uma contagem por 50mC. A operação descrita consumiria 3,25mC; portanto, o contador produziria apenas uma contagem a cada 15 operações.

Uma abordagem que eu estava considerando seria usar uma fonte de alimentação de comutação de modo descontínuo, operando a partir de uma tensão de entrada regulada e contar o número de pulsos do comutador. Isso deve gerar uma contagem de alta resolução; se a fonte de alimentação de comutação sempre usou a mesma quantidade de corrente em cada pulso e se a corrente sempre caiu para zero entre os pulsos, o número de pulsos deve ser diretamente proporcional à corrente total integrada. Infelizmente, essa não é a maneira mais eficiente de operar um comutador, e a maioria dos comutadores tenta operar com mais eficiência do que isso.

Supondo que a tensão de alimentação seja de 3 ou 6 volts, a corrente máxima é de 250mA e o objetivo é ter um mínimo de 50% de eficiência e 3mW de dissipação inativa, qual seria a melhor abordagem?

Termo aditivo

Embora eu queira ter uma abordagem de medição de uso geral, a aplicação específica que tenho em mente é determinar quais fatores afetam o consumo de energia de vários módulos de RF "inteligentes" que serão usados ​​ao ar livre. Por exemplo, se os módulos normalmente consomem um mAs a cada 15 segundos para manter uma malha, mas durante uma tempestade alguns dos módulos ocasionalmente começam a consumir 10maS a cada segundo por alguns minutos, esse tipo de coisa seria útil. Se por algum motivo a corrente inativa que normalmente fica em 25uA às vezes sobe para 40uA, eu gostaria de saber isso também.

Muitos dispositivos de integração de carga funcionam medindo a corrente instantânea e integrando os valores medidos. Minha preocupação é que a corrente instantânea tenha uma faixa dinâmica bastante grande (eu gostaria, se possível, de uma precisão de 10uA em situações de baixa corrente, mas seja capaz de capturar eventos de até 250mA) e fazer leituras com isso nível de previsão rápido o suficiente para garantir que mesmo eventos curtos sejam integrados com precisão pareceria um pouco complicado.

Uma solução em que estou pensando seria usar um PIC com um comparador analógico interno ou externo, executando 3,30 volts regulados; sempre que a saída estiver abaixo de 3,10 volts, ligue um PFET com um resistor em série ajustado para passar 0,50A com uma queda de 0,20 volts. Se houver um limite suficiente na saída, o PIC deve poder dormir sempre que houver tensão adequada na saída; quando a tensão cai abaixo de 3,10 volts, o PIC pode acordar, alimentar os pulsos no PFET até que a tensão volte acima de 3,10 volts e, se o carregamento não levar muitos pulsos, "volte para a cama".

Eu esperaria que a precisão da escala de medição fosse afetada pela precisão do relógio do PIC, a resistência combinada efetiva do PFET e do resistor em série e a comparação da tensão de saída com 3,10 volts, regulação da entrada de 3,30 volts. A precisão do deslocamento da medição seria puramente uma função do vazamento.

Se o objetivo é ter uma precisão geral de 10%, o PIC geralmente precisa manter sua produção dentro de 0,02V do alvo. Diante de uma carga de 250mA, um limite de 1000uF cairia 0,250V / ms. Manter a queda de tensão abaixo de 0,02 volts exigiria que o PIC fosse ativado dentro de 80us, o que eu acho que provavelmente é possível com os PICs baseados no oscilador RC.

Não é difícil integrar a corrente. Se você estiver disposto a fazer o seu próprio, terá controle total sobre as especificações.

Como você provavelmente sabe, um capacitor tem as relações Q = CV e $Q = \int i \cdot dt$ .

Uma maneira que vejo de cima para fazer isso é criar um espelho atual para carregar uma tampa. Ler a tensão da tampa é tudo o que é necessário. Você pode obter tampas tão precisas quanto necessário e existem muitas configurações de espelho atuais precisas.

Com esse método, você pode realmente obter qualquer quantidade de complexidade necessária. Você pode ter várias resoluções (vários espelhos e tampas de tamanhos diferentes). Você pode usar amplificadores operacionais para melhorar a resolução e criar uma redefinição simples.

É claro que não é tão simples quanto usar um chip, mas como você já declarou, não é possível encontrar nenhum chip que atenda às suas necessidades.

Pode ser possível usar o sensor de corrente (mesmo proximidade), mas não tenho certeza da precisão que você obterá. Por exemplo, se sua carga for razoavelmente baixa, você poderá colar um resistor de 1 hh em série. A tensão no resistor é então igual à corrente. Integre isso (por exemplo, usando um amplificador operacional) e você terá a carga. A eficiência aqui seria muito maior, quase próxima da unidade, enquanto o atual método de espelho será um pouco menos de 50%.

Eu sugeriria uma abordagem diferente: conecte um resistor pequeno (por exemplo, 0,1 Ohm 1% ou melhor - a resistência exata deve depender da corrente de carga e da precisão que você tenta obter) em série com a bateria e, ao lado, um lado alto amplificador com detecção de corrente (por exemplo, MAX4173) e conecte-o a um DAC (existem microcontroladores que vêm com DACs dentro). Dessa forma, você pode medir a corrente em tempo real (dependendo da sua frequência de amostragem, é claro) e pode fazer a integração on-line ou pós-processá-la (novamente, dependendo do que você tem e do que deseja alcançar).

Você já pensou em olhar para o que as outras pessoas usam na medição de corrente em curto prazo?

Dr. Sergei Skorobogatov. "Ataques de canal lateral: novas direções e horizontes" . University of Cambridge 2011. menciona "um osciloscópio e um pequeno resistor na linha de alimentação"

Eric Guo. "Tutorial of SHA-3 on SASEBO-GII" 2010. menciona um resistor de 1 Ohm entre o VCC e o dispositivo.

Jean-Jacques Quisquater e Francois Koeune. "Ataques de canal lateral" . 2002 menciona um resistor de 50 Ohms "inserido em série com a entrada de potência ou terra. A diferença de tensão no resistor dividida pela resistência produz a corrente".

Paul Kocher · Joshua Jaffe · Benjamin Jun · Pankaj Rohatgi. "Introdução à análise de potência diferencial" . 2011 menciona "Embora um resistor em série com uma linha de energia ou terra seja a maneira mais simples de obter traços de energia, também tivemos sucesso ao explorar a resistência interna de baterias e fontes de alimentação internas".