Comptage de Coulomb à échelle de temps court

Il existe de nombreuses puces à compteur de coulomb qui mesurent le courant intégré entrant ou sortant d'une batterie dans le but d'estimer l'état de charge. Existe-t-il de bonnes puces pour les circuits faciles afin de mesurer la charge utilisée par une opération particulière qui peut prendre de 1 à 500 ms? Aucune des puces de comptage de charges que j'ai examinées n'offre une bonne résolution sur de courtes échelles de temps. Une puce typique, par exemple, produirait environ deux comptes par seconde au courant d'entrée maximal; si une opération nécessite par exemple 100 mA pendant 10 ms et 25 mA pendant 90 ms, un compteur coulomb qui produirait deux comptes par seconde au courant maximum (100 mA) offrirait un compte par 50 mC. L'opération décrite consommerait 3,25 mC, de sorte que le compteur ne donnerait qu'un seul compte toutes les 15 opérations.

Une approche que j'envisageais serait d'utiliser une alimentation à découpage en mode discontinu, fonctionnant à partir d'une tension d'entrée régulée, et de compter le nombre d'impulsions du commutateur. Cela devrait produire un décompte à haute résolution; si l'alimentation à découpage utilisait toujours la même quantité de courant dans chaque impulsion, et si le courant tombait toujours à zéro entre les impulsions, le nombre d'impulsions devrait être directement proportionnel au courant intégré total. Malheureusement, ce n'est pas le moyen le plus efficace de faire fonctionner un commutateur, et la plupart des commutateurs tentent de fonctionner plus efficacement que cela.

En supposant que la tension d'alimentation soit de 3 ou 6 volts, le courant maximal est de 250 mA et l'objectif est d'avoir un minimum de 50% d'efficacité et une dissipation de repos de 3 mW, quelle serait la meilleure approche?

Addenda

Bien que j'aimerais avoir une approche de mesure à usage général, l'application particulière que j'ai à l'esprit est de déterminer quels facteurs affectent la consommation d'énergie de divers modules RF "intelligents" qui seront utilisés à l'extérieur. Par exemple, si les modules consomment normalement un mAs toutes les 15 secondes pour maintenir un maillage, mais pendant une tempête de pluie, certains modules commencent parfois à consommer 10 mAS par seconde pendant quelques minutes, ce genre de chose serait utile de savoir. Si, pour une raison quelconque, le courant de repos qui se situe normalement à 25 µA monte parfois à 40 µA, j'aimerais le savoir également.

De nombreux dispositifs d'intégration de charge fonctionnent en mesurant le courant instantané et en intégrant les valeurs mesurées. Ma préoccupation à ce sujet est que le courant instantané aura une plage dynamique assez large (j'aimerais si possible être précis à 10uA dans des situations de faible courant, mais être capable de capturer des événements jusqu'à 250mA), et de prendre des mesures avec cela le niveau de prévision suffisamment rapide pour garantir que même les événements courts soient intégrés avec précision semble un peu délicat.

Une solution à laquelle je pense serait d'utiliser un PIC avec un comparateur analogique intégré ou externe, fonctionnant à 3,30 volts régulés; chaque fois que la sortie est inférieure à 3,10 volts, allumez un PFET avec une résistance série ajustée pour passer à 0,50 A avec une baisse de 0,20 volt. S'il y a un plafond suffisant sur la sortie, le PIC devrait pouvoir dormir chaque fois qu'il y a une tension adéquate sur la sortie; lorsque la tension tombe en dessous de 3,10 volts, le PIC peut se réveiller, envoyer des impulsions au PFET jusqu'à ce que la tension revienne au-dessus de 3,10 volts et, si la charge n'a pas pris trop d'impulsions, "retourner au lit".

Je m'attendrais à ce que la précision de l'échelle de mesure soit affectée par la précision de l'horloge du PIC, la résistance combinée effective du PFET et de la résistance série, et la comparaison de la tension de sortie à 3,10 volts, la régulation de l'entrée 3,30 volts. La précision du décalage de mesure serait purement fonction de la fuite.

Si l'objectif est d'avoir une précision globale de 10%, le PIC devrait généralement maintenir sa sortie à 0,02 V de la cible. Face à une charge de 250mA, un plafond de 1000uF baisserait de 0,250V / ms. Garder la chute de tension en dessous de 0,02 volts nécessiterait un réveil du PIC dans les 80us, ce qui, je pense, est probablement réalisable avec les PIC basés sur un oscillateur RC.

Il n'est pas difficile d'intégrer le courant. Si vous êtes prêt à lancer le vôtre, vous aurez un contrôle total sur les spécifications.

Comme vous le savez probablement, un condensateur a les relations Q = CV et $Q = \int i \cdot dt$ .

Une façon que je vois du haut de ma tête pour ce faire est de créer un miroir de courant pour charger un bouchon. La lecture de la tension du capuchon suffit. Vous pouvez obtenir des bouchons aussi précis que nécessaire et il existe de nombreuses configurations de miroir actuelles précises.

Avec une telle méthode, vous pouvez vraiment obtenir toute la complexité dont vous avez besoin. Vous pouvez avoir plusieurs résolutions (plusieurs miroirs et bouchons de différentes tailles). Vous pouvez utiliser des amplificateurs opérationnels pour améliorer la résolution et créer une réinitialisation simple.

Bien sûr, ce n'est pas aussi simple que d'utiliser une puce, mais comme vous l'avez déjà dit, vous ne pouvez pas trouver de puces qui répondent à vos besoins.

Il peut être possible d'utiliser la détection de courant (même la proximité) mais je ne suis pas sûr de la précision que vous obtiendrez. Par exemple, si votre charge est assez faible, vous pouvez coller une résistance de 1 ohm en série. La tension aux bornes de la résistance est alors égale au courant. Intégrez cela (par exemple, en utilisant un ampli op) et vous avez la charge. L'efficacité serait ici beaucoup plus grande, presque proche de l'unité alors que la méthode actuelle du miroir sera légèrement inférieure à 50%.

Je suggérerais une approche différente: connectez une petite résistance (par exemple 0,1 Ohm 1% ou mieux - la résistance exacte devrait dépendre de votre courant de charge et de la précision que vous essayez d'atteindre) en série avec la batterie et à travers elle un côté haut un amplificateur de détection de courant (par exemple MAX4173) et le connecter à un DAC (il y a des microcontrôleurs fournis avec des DAC à l'intérieur). De cette façon, vous pouvez mesurer le courant en temps réel (en fonction de votre fréquence d'échantillonnage, bien sûr) et vous pouvez faire l'intégration en ligne ou le post-traiter (encore une fois, selon ce que vous avez et ce que vous voulez réaliser.

Avez-vous pensé à regarder ce que les autres utilisent pour mesurer le courant à court terme?

Dr Sergei Skorobogatov. "Attaques latérales: nouvelles directions et nouveaux horizons" . Université de Cambridge 2011. mentionne "un oscilloscope et une petite résistance dans la ligne d'alimentation"

Eric Guo. "Tutorial of SHA-3 on SASEBO-GII" 2010. mentionne une résistance de 1 Ohm entre VCC et l'appareil.

Prof. Jean-Jacques Quisquater et François Koeune. "Attaques par canal latéral" . 2002 mentionne une résistance de 50 Ohms "insérée en série avec l'entrée de puissance ou de masse. La différence de tension aux bornes de la résistance divisée par la résistance donne le courant".

Paul Kocher · Joshua Jaffe · Benjamin Jun · Pankaj Rohatgi. "Introduction à l'analyse de puissance différentielle" . 2011 mentionne "Alors qu'une résistance en série avec une ligne d'alimentation ou de terre est le moyen le plus simple d'obtenir des traces de puissance, nous avons également réussi à exploiter la résistance interne des batteries et des alimentations internes."