Modi per misurare la corrente in picoamperes

Devo controllare il basso consumo energetico di un microcontrollore nella gamma di picoamper . Ho solo un multimetro in grado di misurare milliampere e come tale mostra 0.

Esiste un modo semplice e preciso per misurare i picoamper?

Alimentare il microcontrollore con un condensatore, caricato a una tensione nota. Attendere un periodo di tempo adeguato, quindi misurare la tensione. Calcola la corrente dal delta-V e dal C. (Non misurare la tensione in modo continuo, a meno che tu non abbia un misuratore con un'impedenza sufficientemente elevata, perché ciò potrebbe assorbire corrente aggiuntiva.) Avrai bisogno di un condensatore con capacità nota, ma in un pizzico potresti misurare un captatore allo stesso modo scaricandolo attraverso un resistore noto.

Come sottolineato dai commenti, altri percorsi attuali potrebbero contribuire allo scarico del condensatore (inclusa l'autoscarica). È possibile ripetere la misurazione con l'UC rimosso e vedere quale valore fornisce. Quindi potresti pensare se puoi evitare realisticamente tali "altre" correnti nel tuo progetto.

E non dimenticare le batterie che si scaricano e / o invecchiano!

Se il tuo obiettivo è troppo 'vedere' la modalità di spegnimento del chip in azione potresti usare il condensatore, costruire un semplice circuito che lo collega periodicamente all'alimentazione (se possibile sincronizzato con il ciclo di attività degli uC, deve avere un vero bassa corrente di dispersione!) e guardare la tensione C su un oscilloscopio (l'impedenza dell'oscilloscopio deve essere superiore al consumo di corrente dell'UC, oppure si potrebbe anche usare l'accoppiamento CA se il ciclo di attività dell'UC è abbastanza breve). In questo modo è possibile verificare sia la divisione temporale nel consumo di corrente alto e basso, sia le correnti in entrambe le modalità.

Un metodo semplice che ho usato è quello di mettere un resistore in serie con la potenza del micro e parallelo con un condensatore. La perdita del condensatore non è così importante in questo caso.

Ad esempio, se si ritiene che la corrente di alimentazione non debba essere superiore a 10nA, è possibile utilizzare una resistenza di valore 10M 1% in parallelo con un condensatore ceramico 1uF. Ciò fornirà 100,0 mV per 10 nA (quindi il carico dell'amperometro è di 0,1 V, il che non dovrebbe influire eccessivamente sul circuito: aumentare un po 'la tensione di ingresso per compensare la caduta se ti dà fastidio).

Quindi osservare la tensione attraverso il resistore 10M utilizzando un voltmetro con impedenza di ingresso elevata, come Agilent 34401 in modalità di resistenza di ingresso> 10G. La corrente di polarizzazione del misuratore influenzerà la lettura, ma è inferiore a 30 pA (0,3%) a temperatura ambiente.

La combinazione 10M / 1uF filtra i picchi a meno che non si verifichino a una frequenza molto bassa (se, ad esempio, il processore si sveglia una volta ogni 10 secondi e consuma 0,5 mA per 100usec, non funzionerà molto bene).

La potenza o il consumo di corrente di un microcontrollore possono essere molto irregolari a seconda dello stato del µC. Ad esempio: 1pA per 999 ms e quindi 1uA per 1 ms. In media questo sarebbe 1.001 nA. Se il tuo multimetro effettuasse una misurazione ogni 100 ms, non misurerebbe mai l'1001 nA! In questo caso è necessario utilizzare un resistore in serie con l'alimentazione e un oscilloscopio per misurare la tensione attraverso il resistore per "vedere" la corrente effettiva nel tempo.

La maggior parte degli oscilloscopi specifica l'impedenza di ingresso del canale. Tende a essere un Gigaohm. Se si inserisce l'oscilloscopio nel percorso di terra dell'uC (la maggior parte degli ambiti collega il canale di terra alla terra, e potrebbe non essere possibile posizionare una terra sul VDD dell'uC) si misurerà la tensione attraverso questo resistore, e quindi la corrente utilizzata dall'UC, in tempo reale. Ciò dovrebbe fornire misurazioni abbastanza precise (1mV => 1pA).

Diamo un'occhiata al problema se la batteria "si preoccupa" - vale a dire che un carico nella gamma pA influirebbe significativamente sulla durata della batteria?

Spoiler: No. Anche le misurazioni con una risoluzione di 1 nA sono più "precise" di quelle necessarie nella pratica.

Le migliori batterie al litio primarie (non ricaricabili) hanno una durata utile di circa 20 anni (con forse una perdita di capacità del 30% - 70%) senza un'attenzione più che sensibile alle temperature, ecc. Esempi tipici sono

20 anni sono circa 175.000 ore, quindi 10 mAh di perdita nel tempo equivalgono a una corrente di 10 / 175.000 mA o 10.000.000 / 175.000 = 57 = 57.000 pA. Pertanto, la misurazione della pA è del tutto superflua per l'utilizzo di qualsiasi dimensione della batteria.

Ad esempio, una batteria da 50 mAh con una perdita del 50% sulla durata di conservazione dopo 20 anni (un buon trucco se puoi farlo) consentirebbe 25 mAh per il carico o una corrente media di 142.500 pA = 142.5 nA = 0.1425 uA. La misurazione alla nA più vicina della corrente di carico media offre una precisione dell'1% circa, il che consentirà una stima della durata della batteria notevolmente più precisa di quanto si possa trovare nella realtà. Variazioni pratiche sommergeranno tali tentativi.