Studiu privind logica configurabilă avansată pentru măsurarea curentului, tensiunii și puterii

Studiu privind logica configurabilă avansată pentru măsurarea curentului, tensiunii și puterii

Creșterea complexității dispozitivelor electronice impune o monitorizare precisă și fiabilă a curentului, tensiunii și puterii. Pe lângă măsurarea valorilor instantanee, analiza variațiilor acestor parametri în timp este esențială pentru optimizarea performanței și eficienței. O soluție deosebit de eficientă la această provocare este utilizarea logicii configurabile, care permite dezvoltarea unor sisteme de măsurare flexibile, adaptate aplicațiilor specifice. Cipul logic programabil SLG47011V reprezintă o opțiune ideală, combinând procesarea rapidă a datelor cu adaptabilitatea funcțională, ceea ce îl transformă într-un instrument puternic pentru aplicațiile inginerești moderne.

În acest articol vom analiza funcțiile avansate ale SLG47011V pentru măsurarea curentului, tensiunii și puterii, evidențiind importanța utilizării logicii configurabile și a caracteristicilor sale specializate pentru a răspunde cerințelor specifice ale aplicațiilor moderne de monitorizare.

Monitorizarea curentului, tensiunii și puterii

Fiind unul dintre cei mai noi membri ai familiei GreenPAK, SLG47011 se remarcă prin integrarea mai multor blocuri funcționale cheie:

• Un ADC SAR pe 14 biți capabil să atingă viteze de până la 2,35 Msps în modul pe 8 biți.
• Un amplificator cu câștig programabil (PGA) care acceptă șase configurații de amplificare, cu setări de câștig între 1x și 64x, oferind o flexibilitate ridicată în procesarea semnalelor analogice.
• Un DAC integrat pe 12 biți, care funcționează la rate de eșantionare de până la 333 ksps, permițând generarea precisă a semnalelor analogice de ieșire.
• O unitate matematică hardware (MathCore), care suportă operații de înmulțire, adunare, scădere și împărțire, facilitând procesarea eficientă a datelor fără a fi nevoie de procesoare externe.
• Memorie dinamică integrată pentru 4096 de cuvinte.

SLG47011V: o soluție versatilă pentru monitorizarea curentului, tensiunii, puterii și temperaturii

Cu aceste blocuri integrate, SLG47011V oferă o soluție versatilă pentru monitorizarea curentului, tensiunii, puterii și temperaturii. Utilizarea resurselor interne reduce semnificativ numărul de componente externe necesare. De exemplu, blocul PGA integrat elimină necesitatea unui amplificator diferențial extern pentru măsurarea curentului. În plus, acest bloc configurabil permite ajustarea flexibilă a setărilor în timpul procesului de măsurare, inclusiv modificarea câștigului, ceea ce extinde domeniul de măsurare.

Figura 1: Configurație tipică pentru măsurarea tensiunii, curentului și puterii. (Sursă: Renesas)

Această combinație de blocuri analogice și digitale, puternic integrate în SLG47011V, simplifică semnificativ proiectarea sistemului și, în același timp, îi îmbunătățește funcționalitatea. Capacitatea de a realiza măsurători și de a procesa date pe un singur cip nu doar că reduce complexitatea generală a sistemului, ci crește și fiabilitatea, eliminând potențialele puncte de eroare asociate cu utilizarea componentelor externe suplimentare. Acest nivel de integrare, combinat cu flexibilitatea caracteristicilor programabile, face dispozitivul deosebit de potrivit pentru dezvoltarea unor soluții de monitorizare compacte și eficiente.

Caracterul configurabil al acestui dispozitiv permite adaptarea dinamică la cerințele de măsurare în schimbare, fără a necesita modificări hardware. Această adaptabilitate este deosebit de valoroasă în aplicații unde condițiile de măsurare pot varia semnificativ, permițând sistemului să mențină performanțe optime în diverse scenarii de funcționare.

Modelul ilustrat în figura 1 este destinat interfațării cu un microcontroler prin I²C și poate fi împărțit, teoretic, în următoarele blocuri:

Blocul A: Asigură digitizarea semnalelor analogice de intrare. Amplificatorul cu câștig programabil (PGA) poate fi reconfigurat prin I²C, permițând ajustarea individuală a câștigului pentru fiecare canal de măsurare, în funcție de caracteristicile specifice ale semnalelor.

Blocul B: Gestionează logica de control a ADC-ului, asigurând inițializarea corectă a convertorului analog-digital. SLG47011V oferă, de asemenea, funcții de compensare a offsetului pentru măsurători diferențiale. Acest bloc controlează sincronizarea și funcționarea corectă a compensării offsetului în timpul măsurării curentului.

Blocul C: Se ocupă de stocarea și procesarea datelor digitizate. Bufferele 0–3 stochează datele provenite de la ADC și acționează ca filtre, actualizând informațiile pe baza principiului mediei mobile (moving average). MathCore efectuează calcule de putere prin înmulțirea valorilor digitale ale tensiunii și curentului.

Rezultatele din fiecare buffer pot fi citite prin I²C și afișate ulterior de microcontroler sau transmise către un computer pentru realizarea unui sistem de monitorizare.

Figura 2: Circuit de aplicație tipic. (Sursă: Renesas)

Soluția ilustrată în figura 2 permite măsurarea tensiunilor de până la 20 V și a curenților de până la 4 A, atunci când amplificarea PGA este comutată prin I²C, în funcție de valoarea curentului: x32 pentru curenți de până la 1 A, x8 pentru curenți între 1 A și 3 A, respectiv x4 pentru 4 A.

Altfel, circuitul poate măsura curenți de până la 1 A cu un câștig de x32. Amplificarea poate fi redusă la x16, ceea ce crește curentul maxim măsurat la 2 A. Totuși, deoarece proiectarea inițială se bazează pe suprascrierea amplificării prin I²C, este important ca această setare să fie aplicată atât pentru canalul 3 (responsabil de măsurarea curentului), cât și pentru canalul 2, care are rolul de a calibra offsetul canalului 3.

Tensiunea de intrare este aplicată la pinul +V_BUS și este proiectată pentru un interval de tensiune de 4 V până la 20 V. Pinii 7 și 8 trebuie conectați împreună, deoarece sunt utilizați pentru calibrarea offsetului. Pinul 16 (Sync) funcționează ca semnal de control, indicând momentul în care microcontrolerul poate accesa SLG47011. Comunicația cu cipul prin I²C este posibilă numai atunci când pinul 16 este în nivel logic LOW. R3 este rezistența de șunt utilizată pentru măsurarea curentului.

Datele citite de MathCore sunt convertite folosind următoarea formulă:

unde: M – date citite de MathCore; G_e – câștigul canalului 3

De asemenea, este posibilă citirea valorilor tensiunii și curentului din bufferele 0 și 3, iar acestea vor fi mediate în același mod ca bufferul conectat după MathCore. În orice caz, deoarece două buffere sunt conectate în serie pentru curent, 16 valori digitale sunt mediate pe 14 biți.

Tensiunea citită este convertită folosind următoarea formulă:

unde: ADC_Vbus – datele citite din bufferul 1; N – rezoluția ADC-ului

Curentul citit este convertit folosind următoarea formulă:

unde: ADC_SHUNT – datele citite din bufferul 3;

Descrierea funcțională a plăcii demo

Figura 3: Placa demo SLG47011V #1. (Sursă: Renesas)

O demonstrație practică a capabilităților de măsurare a tensiunii, curentului și puterii ale SLG47011V este oferită de placa demo SLG47011V #1, care integrează un microcontroler pentru citirea și afișarea datelor de pe cip, împreună cu componentele necesare pentru măsurători precise.

Pentru verificarea preciziei măsurării tensiunii și curentului au fost testate trei plăci, iar rezultatele sunt prezentate mai jos.

Caracteristici

• Compatibilitate Power Delivery (până la 28 V, 5 A)
• Măsurători de tensiune, curent, putere și temperatură
• Măsurători bidirecționale (în ambele sensuri, la intrare și ieșire)
• Afișaj monocrom OLED 128 × 32

Figura 4: Diagrama bloc funcțională a plăcii demo SLG47011V #1 R1.0. (Sursă: Renesas)

O diagramă funcțională simplificată este prezentată în Figura 4.

Precizia măsurătorilor

Măsurătorile de tensiune și curent au fost realizate pe trei plăci diferite, pentru a obține statistici privind precizia (vezi Tabelul 1 și Tabelul 2).

Tabelul 1: Date privind măsurătorile de tensiune

Tabelul 2: Date privind măsurătorile de curent

Funcții pentru personalizare

După cum s-a menționat anterior, SLG47011V este un circuit logic configurabil, care permite implementarea unor funcții avansate, precum monitorizare, protecție la supratensiune și supraîncălzire, alături de alte caracteristici, spre deosebire de cipurile utilizate în mod obișnuit pentru monitorizarea parametrilor electrici.

Figura 5: Proiect cu funcții OVP, OCP și OTP. (Sursă: Renesas)

Acest design îmbunătățit este prezentat în nota de aplicație AN-CM-375 Monitorizarea tensiunii, curentului, puterii și temperaturii.

Această configurație nu doar că permite efectuarea de măsurători simple, dar oferă și funcția de detectare a defectelor pentru semnalele măsurate, emițând un semnal extern de eroare, atunci când este necesar.

O altă caracteristică este abilitatea de a măsura curentul direct pe traseul de cupru al plăcii de circuit imprimat (PCB) (consultați nota de aplicație AN-CM-394 Detectarea curentului pe traseu de cupru).

Figura 6: Configurație cu compensare pentru variația de temperatură. (Sursă: Renesas)

În plus față de compensarea standard a offsetului disponibilă prin Memory Table și MathCore, este posibilă și măsurarea curentului cu compensarea variațiilor cauzate de temperatură (drift termic).

Concluzie

Rezumând, SLG47011V oferă o soluție flexibilă și eficientă pentru aplicații de măsurare a curentului, tensiunii și puterii. Logica sa configurabilă, împreună cu funcții precum compensarea offsetului, corectarea variațiilor de temperatură și detectarea defectelor, îl fac o alegere fiabilă pentru sistemele de monitorizare. Posibilitatea de a integra funcții suplimentare, cum ar fi temporizatoare de supraveghere și protecție la supratensiune/supraîncălzire, îi sporește adaptabilitatea. Datorită programabilității și nivelului avansat de integrare, SLG47011V reprezintă o platformă practică pentru dezvoltarea unor soluții de monitorizare precise, în timp real, pentru o gamă variată de aplicații.

Autor: Ruslan Tykhovetskyi, Inginer de aplicații, Renesas Electronics, Lviv, Ukraine

Renesas Electronics Europe

Glosar de termeni

• ADC (Analog-to-Digital Converter) – Convertor analog-digital, transformă semnalele analogice în date digitale.
• DAC (Digital-to-Analog Converter) – Convertor digital-analog, generează semnale analogice pe baza valorilor digitale.
• PGA (Programmable Gain Amplifier) – Amplificator cu câștig programabil, permite ajustarea câștigului pentru diferite semnale.
• MathCore – Unitate matematică hardware integrată, utilizată pentru efectuarea de calcule (înmulțire, adunare, scădere, împărțire) direct pe cip.
• OVP (Over Voltage Protection) – Protecție la supratensiune.
• OCP (Over Current Protection) – Protecție la supracurent.
• OTP (Over Temperature Protection) – Protecție la supraîncălzire.
• I²C (Inter-Integrated Circuit) – Magistrală de comunicație serială utilizată pentru conectarea circuitelor integrate.
• PCB (Printed Circuit Board) – Placă de circuit imprimat.
• Watchdog timer (temporizator de supraveghere) – Circuit care monitorizează funcționarea unui sistem și îl resetează automat dacă detectează blocaje.
• Buffer – Zonă de memorie utilizată pentru stocarea temporară a datelor.
• Offset – Deplasare sau eroare constantă a unui semnal, care trebuie compensată pentru a obține măsurători corecte.
• Media mobilă – Metodă de filtrare prin care o valoare finală este obținută ca medie a mai multor valori succesive, pentru reducerea zgomotului și stabilizarea măsurătorilor.