短时间尺度库仑计数

电器工程 电池充电 电流测量
2022-02-06 12:54:21

存在许多库仑计芯片,它们测量流入或流出电池的积分电流以估计充电状态。是否有任何用于简单电路的好芯片,用于测量可能需要 1-500 毫秒的特定操作使用多少电荷?我看过的电荷计数芯片都没有在短时间内提供良好的分辨率。例如,一个典型的芯片在最大输入电流下每秒会输出大约两个计数;例如,如果一个操作需要 100mA 持续 10ms,25mA 持续 90ms,那么在最大电流 (100mA) 下每秒输出两个计数的库仑计数器将提供每 50mC 一个计数。所描述的操作将消耗 3.25mC,因此计数器每 15 次操作只会产生一个计数。

我正在考虑的一种方法是使用不连续模式的开关电源,在稳定的输入电压下工作,并计算开关脉冲的数量。这应该会产生高分辨率的计数;如果开关电源在每个脉冲中始终使用相同量的电流,并且如果电流在脉冲之间始终降至零,则脉冲数应与总积分电流成正比。不幸的是,这不是操作切换台的最有效方式,并且大多数切换台都试图比这更有效地操作。

假设电源电压为 3 伏或 6 伏,最大电流为 250mA,目标是最低 50% 的效率和 3mW 的静态功耗,那么最好的方法是什么?

附录

虽然我想要一种通用的测量方法,但我想到的特定应用是确定哪些因素会影响将在户外使用的各种“智能”射频模块的能耗。例如,如果模块通常每 15 秒消耗 1 mA 以维持网格,但在暴雨期间,某些模块偶尔会开始每秒消耗 10 mA 并持续几分钟,那么了解这类事情会很有用。如果由于某种原因,通常为 25uA 的空闲电流有时会上升到 40uA,我也想知道这一点。

许多电荷积分装置通过测量瞬时电流和积分测量值来工作。我对此的担心是瞬时电流将具有相当大的动态范围(如果可能,我希望在低电流情况下精确到 10uA,但能够捕获高达 250mA 的事件),并以此读取足够快的预测水平以确保即使是短事件也能准确集成,这似乎有点棘手。

我正在考虑的一种解决方案是使用带有内置或外部模拟比较器的 PIC,运行电压为 3.30 伏;每当输出低于 3.10 伏时,打开一个带有串联电阻的 PFET,调整为通过 0.50A,降压为 0.20 伏。如果输出有足够的上限,只要输出上有足够的电压,PIC 就应该能够休眠;当电压低于 3.10 伏时,PIC 可以唤醒,向 PFET 提供脉冲,直到电压恢复到 3.10 伏以上,如果充电不需要太多脉冲,则“回到床上”。

我预计测量刻度精度应受 PIC 时钟精度、PFET 和串联电阻的有效组合电阻、输出电压与 3.10 伏的比较、3.30 伏输入的调节的影响。测量偏移精度纯粹是泄漏的函数。

如果目标是获得 10% 的整体准确度,则 PIC 通常必须将其输出保持在目标的 0.02V 范围内。面对 250mA 负载,1000uF 电容会下降 0.250V/ms。将电压降保持在 0.02 伏以下需要让 PIC 在 80us 内唤醒,我认为这对于基于 RC 振荡器的 PIC 可能是可行的。

3个回答

整合电流并不难。如果您愿意推出自己的产品,您将完全控制规格。

您可能知道,电容器具有 Q = CV 和的关系。Q=idt

我想办法做到这一点的一种方法是创建一个电流镜来为电容充电。只需读取电容的电压即可。您可以根据需要获得准确的上限,并且有许多准确的电流镜配置。

使用这种方法,您可以真正获得所需的任何复杂性。您可以有多种分辨率(多个镜子和不同尺寸的盖子)。您可以使用运算放大器来提高分辨率并创建简单的复位。

当然,它不像使用芯片那么简单,但正如您已经说过的,您找不到任何适合您需求的芯片。

可能使用电流感应(甚至接近),但我不确定你会得到的准确性。例如,如果您的负载相当低,您可以串联一个 1ohm 电阻。电阻两端的电压等于电流。将其集成(例如,使用运算放大器),您就可以负责了。此处的效率会大得多,几乎接近 1,而电流镜方法将略低于 50%。

我建议采用不同的方法:将一个小电阻(例如 0.1 Ohm 1% 或更好 - 确切的电阻应取决于您的负载电流和您尝试达到的精度)与电池串联并在其两端连接一个高端电流检测放大器(例如 MAX4173)并将其连接到 DAC(内部带有 DAC 的微控制器)。通过这种方式,您可以实时测量电流(当然取决于您的采样频率),并且您可以在线进行集成或对其进行后处理(同样,取决于您拥有什么以及您想要实现什么。

您是否考虑过看看其他人使用什么来进行短时间尺度的电流测量?

谢尔盖·斯科罗博加托夫博士。“侧信道攻击:新方向和新视野”剑桥大学 2011. 提到“电源线中的示波器和小电阻”

埃里克郭。“SASEBO-GII 上的 SHA-3 教程” 2010。提到 VCC 和设备之间的 1 欧姆电阻。

Jean-Jacques Quisquater 教授和 Francois Koeune 教授。“侧信道攻击”2002 年提到“与电源或接地输入串联插入的 50 欧姆电阻器。电阻器两端的电压差除以电阻产生电流。”

Paul Kocher · Joshua Jaffe · 本杰明·君 · Pankaj Rohatgi。“差分功率分析导论”2011 年提到“虽然与电源线或地线串联的电阻器是获得电源线的最简单方法,但我们也成功地利用了电池和内部电源的内阻。”