電池供電類設備存在已久，然而自手機問世以來，由可充電電池供電的設備數量在過去二十年呈現出指數級成長。截至2018年，多種不同型號的手機、平板電腦、筆記型電腦和許多其他小型電器都在使用鋰電池。
對於所有可攜式設備而言，因為多數採用鋰電池供電，功耗成為產品開發的重要考量因素。硬體開發人員越來越注重在增加功能、減小尺寸、降低成本的同時，實現低功耗方案。軟體發展人員也以舊演算法為切入點，針對作業系統領域(即透過能量監測調度)和新興領域(例如機器學習)，研發新的功率監測方法，力求降低功耗。功率是指暫態消耗的能量。如公式所示，在電學中，功率等於暫態電壓與電流之積。功率單位為瓦特(W)，表示「焦耳每秒」。
能量等於功率與時間的乘積，電路消耗能量，電池則儲存能量。功率管理通常是指管理暫態電流和電壓，以滿足功率傳輸能力和負載條件。能量監測通常會提供有關能耗的資訊，進而協助開發人員進行電池管理和整體功率基準測試。透過專門設計的軟體(可根據特定負荷採取相應操作)監視能量時，即開始了主動能量管理。
主動能量管理可以基於預定義的設置自動進行，也可以在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，大多數筆記型電腦在使用電池而不是交流電源運行時，處理器效能會自動降低，並且改用低功耗、低效能的整合圖形處理器，而不使用專用處理器。可以關閉筆記型電腦的一些周邊，以延長電池供電時間，而使用者也可能收到降低螢幕亮度或調暗鍵盤背光的通知。大多數智慧手機都提供各種節能選項，當電池電量降至特定水準時，主動能量管理便會提出使用節能選項的建議，包括關閉一些現有的網際網路連線、降低螢幕亮度等。
但類似情況並不限於電池供電設備。伺服器會仔細監測功耗和負荷水準，以確定是否可以完全停止或暫停某些服務。在虛擬伺服器中，可根據電流總用量和基於統計資訊預測的用量增加和縮減應用。對於這類伺服器，可以使用虛擬機器管理程式完全關閉某些虛擬機器。進行除錯時，也可以使用主動能量管理。能量監測可提供非常有效的資訊，用以確定整個系統或部分系統是否在界定範圍內運行。
用於測量直流功率和能量的電路
如前文所述，電功率是電壓與電流的乘積。要精確測量功率，需要對電壓和電流進行精準測量。在一定時段內測量功率並將結果累加，即得到能量。功耗在大多數情況下都不是恆定值，因此，必須使用一個選定測量頻寬，在此範圍內量測電壓和電流。直流電壓測量電路的一個典型範例是圖1左側所示的簡單分壓器和圖1右側所示的緩衝分壓器。這兩個電路都可以透過適當的校準提供高精度測量結果，儘管帶緩衝的分壓器比不帶緩衝的分壓器價格昂貴，但前者通常功耗更低，尤其適合測量極低的直流訊號。
雖然借助霍爾效應也可以測量電流(包括直流電流)，但本文側重於使用分流電阻測量直流電流，因為後者更常用而且費用更低。分流電阻是一個低阻值電阻，與電路串聯。電流流經分流電阻時，分流電阻兩端會產生一個小的壓差。該壓差與電流成正比，如公式所示，並且通常使用運算放大器進行放大。
由於分流電阻與電路的其餘部分串聯，因此可以連接在任意一側：上橋臂(分流電阻的一個端子直接連接匯流排電壓)，或者下橋臂(分流電阻的一個端子接地)，如圖2。在這兩種情況下，分流電阻都會出現一個小的壓差，電路的總電壓會降低。但是，分流電阻的連接位置會受到一些影響。
如果分流電阻放在下橋臂(圖2右側)，其兩端的電壓將直接接地。由於分流電阻通常很小，其兩端的壓差也很小，因此電流測量電路使用便宜的低壓運算放大器即可非常方便地放大壓差。這對於縮減成本很有幫助。但下橋臂分流有一個明顯的不足，即整個電路不再直接接地，而是連接高於接地端電壓的位置。分流電阻兩端的壓差通常以毫伏計。
如果將分流電阻連接在上橋臂(圖2左側)，則電路直接接地，可消除地彈反射效應。如果要對電路進行精確測量或必須提供精確的輸出，則應選用此連接方法。此方法的唯一缺點是需要使用電壓更高的差分運算放大器電路，並且視運算放大器的頻寬而定，費用也可能會增加。
儘管電壓、電流甚至功率本身都可以透過類比電路輕鬆測量，而且成本很低，但能量測量卻需要使用更複雜的電路來實現。然而，傳統的能量測量方法是使用類比電路測量電壓和電流，然後使用類比數位轉換器(ADC)將類比訊號轉換為數位訊號，將資料輸出到微控制器。微控制器的作用是對訊號隨時間累加的功率進行採樣，進而實現能量測量，測量能量的典型電路如圖3所示。在測量電路中增加微控制器既有優點也有缺點。一方面，在演算法計算、監視不同行為和進行更詳細的報告方面具有很大的靈活性，例如每小時、每天等。此外，微控制器的作用不僅限於能量測量，還可以觸發事件、運行自訂狀態機或滿足工程師的任何需求。而如果系統原本就需要使用微控制器，則成本和物料清單(BOM)的增加並不是問題。另一方面，使用微控制器監測能量的缺點則是測量系統的總功耗、繁複的程式開發工作和開銷成本都會增加，而且視精度要求而定，有時可能還需要外部ADC。
多年來，隨著業界對直流能量監測功能的需求不斷成長，多種面向此類應用的積體電路相繼問世。例如Microchip的PAC1934。此類積體電路只需使用分流電阻作為外部元件，即可同時採樣4個通道，基本電路圖如圖4所示。電路中整合了運算放大器、ADC、算數運算邏輯、記憶體和用於連接系統的標準介面(通常為I2C或SPI)。與傳統方法相比，使用積體電路的優勢在成本方面尤為明顯，因為在一個積體電路中整合了能量測量所需的一切，使BOM和PCB尺寸顯著降低。
主動能量監測的優勢
憑藉適合大多數應用的靈活配置，專用積體電路能夠以極低的功耗在長時段內累加功率。通常功率取樣速率最低為每秒8次採樣，最高可達1 KSPS。例如，PAC1934以8 SPS運行時，可以累加超過36小時的功率，並且電流小於16μA，同時4個通道全部有效且以16位元的解析度運行，無需軟體干預。此方法允許取樣速率動態變化，進而可以擴大應用範圍。例如在標準筆記型電腦中使用積體電路監測電源軌。當筆記型電腦處於運行和活動狀態時，能夠以1024 SPS的取樣速率進行監測，而當筆記型電腦處於暫停狀態(Suspended State)時，監測速度可能降到8 SPS，因為在暫停狀態下，功耗不會有太大的波動。此外，降低取樣速率可以減少能量監測的功耗，而不會影響效能。
主動能量監測最常見的一個應用是電池電量計量。專用積體電路可監測電池的電壓和電流，隨時得知電池電量。更先進的電池電量計還可以檢測到電池遇到了特定問題，例如電量計可以追蹤電池的電壓與電量的關係，如果二者之間不再有對應關係，則代表電池的總容量因老化或其他因素而縮減。主動能量監測也是標準電池管理系統(BMS)的核心。BMS是多節電池組所使用的電路，負責對電池組進行安全充電和放電，並主動測量其電壓和電流，確保每節電池的參數都相同。BMS的功能還包括檢測故障電池，或在電壓過高或過低時斷開電池組。主動能量監測的另一個常見應用是與智慧手機和平板電腦上的作業系統以及筆記型電腦、電腦和伺服器上的Linux或Microsoft Windows搭配使用。對於智慧手機和平板電腦，作業系統透過各種方法監測不同服務和應用程式所消耗的電量。在早期階段，系統不直接測量能量，而是使用表格資料獲取各個工作點的功耗，基於CPU、GPU和螢幕使用情況估算能量。估算出的能耗資料以統計資料的形式報告，便於使用者決定如何進一步操作設備。自Windows 8起，Microsoft在筆記型電腦和個人電腦中導入了能量估計引擎(Energy Estimation Engine, E3)。E3早期階段的工作原理與智慧手機中的估算演算法類似，能夠根據各種資源的使用情況(處理器、圖形、磁片、記憶體、網路和顯示器等)來估算每項任務的功耗，進而實現功耗追蹤。E3還導入了能量計量介面(EMI)，系統製造商可以透過該介面為系統添加實際可用的能量測量感測器，並進行相應聲明。如果加入了此類感測器，E3會利用這些感測器準確地測量功率和能量，而不是只進行估算。某些筆記型電腦製造商已在其產品中實現了這些功能。此外，過去還存在一些其他的方法，例如Sony在Vaio筆記型電腦中實現的能量監測，但沒有支援這些方法的作業系統，只有專用應用程式才能存取相關資料。Linux尚未提供與Microsoft E3相當的工具，但據報導稱，廠商已著手進行相關工作。工業I/O子系統支援在作業系統中加入各種感測器，為使用者空間的應用程式提供非常簡單且功能強大的介面(基於檔的介面)。然而，在本文撰寫之時，工業I/O子系統仍是核心的擴展，而不是默認Linux架構的組成部分。Linux還支援能量監測調度和智慧功率分配，這是一種用於嵌入式Linux領域的演算法，可協助系統決定如何調度不同的任務，同時考量散熱問題(能耗導致CPU/GPU發熱)。
能量測量積體電路的另一個值得關注的應用，是對USB功率和能量以及在伺服器應用程式中的使用情況進行監測，如本文第一部分所述。由於伺服器採用不間斷運行的設計，因此監測能耗有很多好處，例如可透過主動服務控制提高總體電源效率，能滿足越來越高的能效標準，允許系統管理員在伺服器的某些部分出現功耗異常(表示未來可能發生故障)時執行預測性維護。
透過IC整合能量監測功能
就能量監測的需求以及系統需要執行的其他功能而論，某些方法可能比其他方法更適用。如果嵌入式系統是根據自身用途專門構建，並且需要瞭解自身功耗或估算能耗，則傳統方法更適用。建議在微控制器中加入內部ADC，以便大幅縮減能量監測功能的成本。採用這種方法，只需要使用進行電壓和電流檢測的外部類比電路。如果需要非常高的測量精度而不計BOM成本和功耗，則傳統方法比積體電路更適用。
但在很多情況下，更適合採用積體電路方法。例如，如果想要在作業系統中整合能量測量，就適合採用積體電路方法，因為整合解決方案就是為解決這一問題而構建，透過適當的驅動程式，系統能自動識別出能量測量並知道如何操作。能量測量積體電路通常可以測量多個通道(進而監測多條匯流排)，因此，在需要監測大量匯流排時，整合解決方案具備明顯優勢。此外，同一條通信匯流排上可以使用多個積體電路(例如I2C或SPI)。另一個更適合採用整合解決方案的情形是，在系統處於功耗極低的睡眠模式或完全關閉的情況下，在較長的一段時間內測量能量。整合的能量監測晶片僅消耗極少的功率，並能在特定時段內自行累加能量，無需任何系統干預，而這正是實現整合解決方案的基礎。
對於有較高尺寸要求的高度整合化和密集型PCB，例如手機、平板電腦或筆記型電腦的主機板，與等效的分離元件相比，積體電路占用的空間顯然更小。例如，在晶圓級晶片封裝(WLCSP)尺寸的晶片(大小為2.225×2.17mm)中，包含一個能同時監測四個通道的能量測量積體電路。
(本文作者任職於Microchip)
