В этой статье мы рассмотрим расширенные возможности SLG47011V для измерения тока, напряжения и мощности, подчеркнув важность использования его конфигурируемой логики и специализированных функций для удовлетворения специфических требований современных приложений мониторинга.

Мониторинг тока, напряжения и мощности.
Как один из новейших представителей семейства GreenPAK, SLG47011 выделяется интеграцией нескольких ключевых функциональных блоков:
■ 14-битный АЦП с последовательным приближением (SAR), способный достигать скорости до 2,35 Мвыб/с в 8-битном режиме.
■ Программируемый усилитель (PGA), поддерживающий шесть конфигураций усилителя с настройками усиления от 1x до 64x, обеспечивающий гибкость в обработке аналоговых сигналов.
■ Встроенный 12-битный ЦАП, работающий с частотой дискретизации до 333 квыб/с, обеспечивающий точное генерирование аналоговых выходных сигналов.
■ Еще одна примечательная особенность — аппаратный математический блок (MathCore), поддерживающий операции умножения, сложения, вычитания и деления, что облегчает эффективную обработку данных без необходимости использования внешних процессоров.
■ Встроенная динамическая память на 4096 слов.
Благодаря этим интегрированным блокам, SLG47011V предлагает универсальный подход к мониторингу тока, напряжения, мощности и температуры. Использование этих внутренних блоков сокращает количество необходимых внешних компонентов. Например, интегрированный блок PGA устраняет необходимость во внешнем дифференциальном усилителе для измерения тока. Кроме того, он предлагает дополнительные преимущества, поскольку этот конфигурируемый блок позволяет гибко настраивать его параметры в процессе измерения, включая регулировку усиления, что, в свою очередь, увеличивает диапазон измерений.
Такое сочетание высокоинтегрированных аналоговых и цифровых блоков в SLG47011V значительно упрощает проектирование системы и расширяет ее функциональность. Возможность выполнять измерения и обрабатывать данные на одном чипе не только снижает общую сложность системы, но и повышает надежность за счет минимизации потенциальных точек отказа, связанных с использованием других внешних компонентов. Такой уровень интеграции, наряду с гибкостью программируемых функций, делает его особенно подходящим для создания компактных и эффективных решений для мониторинга.

Конфигурируемая структура этого устройства позволяет ему динамически адаптироваться к изменяющимся требованиям измерения без необходимости модификации оборудования. Эта адаптивность особенно ценна в приложениях, где условия измерения могут значительно меняться, позволяя системе поддерживать оптимальную производительность в различных сценариях работы.

Рисунок 1. Типичная схема для измерения напряжения, тока и мощности

Схема, показанная на рисунке 1, предназначена для взаимодействия с микроконтроллером через интерфейс I²C и может быть концептуально разделена на следующие блоки:
Блок A: отвечает за оцифровку входящих аналоговых сигналов. Стоит отметить, что программируемый усилитель (PGA) может быть переконфигурирован через I²C, что позволяет индивидуально настраивать усиление каждого измерительного канала в зависимости от специфических характеристик измеряемых сигналов.
Блок B: управляет логикой управления АЦП, обеспечивая правильный запуск АЦП. SLG47011V также предлагает возможности компенсации смещения для дифференциальных измерений. Этот блок контролирует синхронизацию и правильную работу компенсации смещения во время измерения тока.
Блок C: обрабатывает хранение и обработку оцифрованных данных. Буферы с 0 по 3 хранят оцифрованные данные (с АЦП) и действуют как фильтры, обновляя данные в соответствии с принципом скользящего среднего. MathCore выполняет вычисления мощности путем умножения цифровых выходов напряжения и тока.

Результаты с каждого буфера можно считывать через I²C и впоследствии отображать на микроконтроллере или подключать к компьютеру для создания системы мониторинга.
Решение, показанное на рисунке 2, позволяет измерять напряжения до 20 В и токи до 4 А при условии, что коэффициент усиления PGA изменяется через I²C в зависимости от тока: x32 для токов до 1 А, x8 для токов от 1 А до 3 А и x4 для 4 А.

В остальном, эта схема может измерять токи до 1 А с коэффициентом усиления x32. Можно уменьшить коэффициент усиления до x16, тем самым увеличив максимальный измеряемый ток до 2 А. Однако, поскольку первоначальная конструкция основана на переопределении коэффициента усиления через I2C, важно, чтобы коэффициент усиления был переопределен как для канала 3 (который измеряет ток), так и для канала 2, поскольку канал 2 калибрует смещение канала 3.
Входное напряжение подается на вывод +V_BUS и рассчитано на диапазон напряжений от 4 В до 20 В.

Контакты 7 и 8 должны быть соединены вместе, поскольку они отвечают за калибровку смещения.
Контакт 16 (Sync) служит сигнальным контактом, который управляет доступом микроконтроллера к SLG47011. Связь с микросхемой по I2C возможна только тогда, когда контакт 16 находится в низком состоянии.
R3 — это шунтирующий резистор, от которого измеряется ток.

Рисунок 2. Типичная схема применения

Данные, считываемые MathCore, преобразуются по следующей формуле:
P=((2298537⋅M⋅2048))/(285212672000⋅G_e )
, где:
M – данные, считываемые MathCore;
Ge – коэффициент усиления канала. 

Также можно считывать значения напряжения и тока из буферов 0 и 3, которые будут усредняться так же, как и буфер, следующий за MathCore. Однако, поскольку для измерения тока соединены два буфера последовательно, усреднение производится по 16 байтам с шагом в 14 бит.

Показания напряжения преобразуются по следующей формуле:

V_bus = ((ADC_Vbus/2^N⋅Vref))/((R5/(R4+R5)))
, где:
ADCVbus – данные, считываемые буфером 1;
N – разрешение АЦП.

Текущее считывание преобразуется по следующей формуле:
I=(〖(ADC〗_SHUNT/2^N)⋅Vref/2)/((R3/G_e))
, где:
ADCSHUNT – данные, считываемые буфером 3.

Функциональное описание демонстрационной платы
: Демонстрационная плата SLG47011V № 1, оснащенная микроконтроллером для чтения и отображения данных микросхемы, а также компонентами, необходимыми для точных измерений, демонстрирует на практике возможности SLG47011V по измерению напряжения, тока и мощности. Для определения точности измерений напряжения и тока были протестированы три платы, результаты описаны в разделе 3.1.

Рисунок 3. Демонстрационная плата SLG47011V #1

Характеристики
■ Совместимость с источниками питания (до 28 В, 5 А)
■ Измерение напряжения, тока, мощности и температуры
■ Измерение в обоих направлениях (подключение к вилке и розетке)
■ Монохромный OLED-дисплей 128 x 32

На рисунке 4 представлена ​​упрощенная функциональная схема.

Рисунок 4. Функциональная блок-схема демонстрационной платы SLG47011V № 1 R1.0

Точность измерений.
Измерения напряжения и тока проводились на трех разных пластинах для сбора статистических данных о точности (см. таблицы 1 и 2).

Возможности индивидуальной настройки.
Как упоминалось ранее, SLG47011V — это конфигурируемая логическая интегральная схема, позволяющая реализовать расширенные функции, такие как работа сторожевого таймера и защита от перенапряжения/перегрева, в отличие от других микросхем, обычно используемых в системах мониторинга электрических параметров.
Эта улучшенная конструкция используется в примечании к применению (AN-CM-375 «Монитор напряжения, тока, мощности и температуры»).

Рисунок 5. Конструкция с функциями защиты от перенапряжения (OVP), перегрузки по току (OCP) и перегрузки по току (OTP).
Эта конфигурация не только позволяет проводить простые измерения, но и включает обнаружение неисправностей в измеряемых сигналах и при необходимости выводит сигнал неисправности извне.
Еще одна особенность — возможность измерения тока в медном чипе (см. AN-CM-394 «Обнаружение тока в медной дорожке»).
В дополнение к стандартной компенсации смещения, доступной через таблицу памяти и MathCore, также возможно измерение тока с возможностью компенсации температурного дрейфа.

Рисунок 6. Схема с компенсацией температурного дрейфа.
Заключение
В заключение, SLG47011V предлагает гибкое и эффективное решение для измерения тока, напряжения и мощности. Его конфигурируемая логика, а также такие функции, как компенсация смещения, коррекция температурного дрейфа и обнаружение неисправностей, делают его надежным выбором для систем мониторинга. Возможность интеграции дополнительных функций, таких как сторожевые таймеры и защита от перенапряжения/перегрева, повышает его адаптивность. Благодаря своей программируемости и высокой степени интеграции, SLG47011V предоставляет практичную платформу для создания точных решений мониторинга в реальном времени для различных приложений.

Авторы: Руслан Тыховецкий, инженер-технолог, Renesas Electronics, Львов, Украина