Microchip DC Power Monitor

自從智慧型手機問世以來，使用充電電池的電子產品在過去二十年來都是呈現正成長的趨勢。統計到 2020年以來，市面上常見的智慧型手機、穿戴型裝置、平板電腦、筆電等等幾乎都使用鋰離子電池(Li-Ion)來提供電力，包含近幾年興起的電動車也利用電池來供給動力 。

使用電池供電的可攜式電子產品已經十分普及，這些可攜式產品對於電池能量消耗上是非常在意的，透過能源的監控或管理可以提高產品的附加價值並延長電池使用壽命，對於軟、硬體人員在產品研發初期是非常重要的因數之一。功率是常見用來計算瞬時消耗的能量。如公式 1 所示，電的功率為電壓與電流的乘積。國際標準制的功率單位是瓦特(W)，等於一焦耳每秒。

公式 1 - 功率公式 (功率=電流x電壓)
                  P= V x I (W=J/S)

功率與時間的乘積就是電量。電池存儲電量，電路則是消耗電量，如何做好功率管理就是我們想達到的目的。透過監控電量的損耗訊息，可以幫助軟體開發人員對電池進行管理和優化。使用者可以透過專用的軟體監控電量，規劃自主的電量管理規則。

主動電量管理可以使用預設的定義後進行監控，也可以透過軟體啟動時手動進行， 其作用是為用戶提供特定的建議。例如，筆記型電腦在使用電池不充電的狀態下，電源管理系統會自動降低處理器工作頻率。降低螢幕亮度或調低鍵盤背光等，以延長電池供電時間。

常見的智慧型手機也都有自我的電源管理機制提供各種節能選項，當電池電量降到設定的電位時，主動電源管理系統便會進入預設的節能選項，如關閉一些現有的網路連接、降低螢幕亮度、降低處理器效能等。幾乎所有可攜式的電子產品都會使用電源管理來提升電池使用壽命。

如前文所提，功率是電壓和電流的乘積。要觀測功率，我們需要讀取電壓和電流加以計算。直流電壓測量電路，如圖1左側為一個簡單電阻分壓電路和圖1 右側為一個OPA分壓電路放大電路。這兩種電路都可以經由適當的校準提供高精度電壓測量，雖然OPA分壓放大電路價格昂貴，但功耗較低，適合量測低電位的直流信號。

使用分流電阻測(Current Shunt resistor )來量測直流電流，是一個常見低成本的作法, 也有使用（Hall effect）來量測電流,但成本較高。本文只探討分流電阻。Current Shunt resistor是一個低阻值的精密電阻與電路串聯。電流流過分流電阻時，分流電阻兩端會產生跨壓。跨壓差與電流成正比，如公式 2 所示，並且使用OPA進行放大。

公式 2 - 分流電阻兩端的壓差
     Vdrop =Rshunt x I

常見的分流電阻電路有兩種做法，High-Side電路（分流電阻接連在負載的前端不接地），此種方式如圖2左所示，可以量測到整個系統電路的電流，但通常成本會隨系統耐壓提高，成本也會變高，須使用耐電壓更高的OPA進行設計。

另一種方式為Low-Side電路（分流電阻接連在負載的後端然後接地），如圖2右。此種方式無法量測到整個系統電流，但成本比較低，因可使用耐壓較低的OP進行設計, 一般常見到使用在Motor的電流量測居多。

使用OPA來讀取電壓、電流，最終還是需要MCU內部ADC(或添加外部ADC)將類比信號轉換為數位信號。MCU則是將數位信號隨時間累加的功率進行取樣，從而實現功率測量。常見的電路如圖3 所示。MCU經由外部ADC讀取到電壓、電流，再經由換算累加和暫存，使用者就可獲得數字的訊息。缺點是需要軟體工程師需在MCU上進行攏長且複雜的Coding開發和計算，成本會隨之增加。

圖4是一個同時量測電池電壓和電流的線路圖。使用雙通道MCP3421 ADC 元件來進行測量。 MCU 經由Interface(I2C)讀取電壓和電流,在成本上可以降低OPA的使用數量。但ADC只適合量測低壓系統。

由於ADC內部增益(Gain)可被控制，除了可以量測電壓電流外，也可測量極低的直流訊號或高速I/O訊號，常見到應用在醫療、儀器設備、溫度或環境監控(Precision sensor)等，取樣速度高的ADC(over 200Mbps)更是被應用在軍事或是高階自駕車用上。

常見使用OPA和ADC來量測電壓電流，隨著電子產品的功能越來越強大，在監測功能上已不符合業界需求，因此一款精密的功率監測晶片被開發出來。 例如Macnica所代理 Microchip PAC1934,PAC1944,PAC1954 整合式電力監控IC。只需使用電流檢測電阻作為外部元件，即可輕鬆量測4個通道電壓電流，電壓量測低至 0 V 以及高達 32 V(40V以上需分壓)，99%準確度，經由並聯，最多可量測多達64個通道。

基本內部方塊圖如圖5所示。PAC1954內部整合了OPA、ADC、算術運算邏輯、Register和I2C Interface，Alert(OV, OC, OP, UC, UV)。與傳統方法相比，使用整合式電路的優勢在功能上和成本上尤為明顯，使用整合式IC來讀取電壓和電流，在 BOM 和 PCB 尺寸都有顯著降低，內部的算術運算邏輯器會自動換算電壓電流和功率，可以大大減少軟體開發上的時程和複雜的coding。 圖6 所示外部等校電路極為精簡，是目前獲取功率量測的理想解決方案。

Microchip, Four Channel Power Monitor, 32V

PAC1954, https://www.microchip.com/en-us/product/PAC1954

Microchip, PAC1934, https://www.microchip.com/en-us/product/PAC1934

Microchip, 能量監測在直流系統中的作用, http://www.microchip.com.cn/newcommunity/Uploads/202103/6049aaa9c02a8.pdf

Microchip, MCP3421 BATTERY FUEL GAUGE DEMO BOARD, https://www.microchip.com/en-us/development-tool/MCP3421DM-BFG