Come misurare il consumo di energia su dispositivi a bassissima potenza?

Questa potrebbe essere una vecchia notizia in mezzo decennio o due, ma con i mezzi di oggi mi riferisco a prototipi e progetti elettronici che assorbirebbero un intervallo di corrente μA (uA) e persino nA.

Alcuni MCU recenti, come SAMD21 che sto usando atm, sono dotati di orologi interni come, sempre attivi, oscillatori RC interni 32kHz a bassissima potenza che assorbirebbero solo 125nA e l'intero microcontrollore è in grado di consumare solo 6,2μA in modalità STANDBY con un RTC live.

In questo tipo di livelli di corrente quiescente e di consumo di energia, le più piccole limitazioni nel macchinario interno di dispositivi di misurazione da banco come multimetri e oscilloscopi potrebbero aggiungere un bel po 'di errore alla misurazione complessiva o persino misurare un valore errato a 360 gradi in situazioni come una diversa rilancio del kick in quando si cambia la risoluzione da 6 a 8 cifre decimali con precisione sul multimetro.

Qual è il metodo più preciso per misurare il consumo di corrente / corrente di riposo complessivo per tali applicazioni?

Aggiornare:

Come ho accennato in una delle risposte, misurare le basse correnti è difficile ma molto possibile, tuttavia, trarre conclusioni sulla quantità integrata di consumo corrente per ottenere numeri per il consumo realistico realistico rispetto a tutto ciò che avevo in mente.

Mi sono imbattuto in alcune soluzioni come il convertitore da corrente a frequenza ad ampio raggio , tuttavia l'ampia gamma in questa nota applicativa è limitata solo al massimo di 200uA e nel mio caso, la mia corrente massima può salire a milliampere quando la mia radio sta trasmettendo e potrebbe scendere a 3uA quando l'intero sistema va in sospensione.

Una soluzione consiste nell'utilizzare un amplificatore di strumentazione per misurare la caduta di tensione attraverso un resistore di shunt. Questi sono progettati per offrire un'impedenza di ingresso estremamente elevata su entrambi gli ingressi dell'amplificatore (superiore a 1 giga-ohm), consentendo al contempo di amplificare questo segnale con fattori relativamente grandi (1000x non è raro). Si noti che il fatto che vi sia un'impedenza di ingresso davvero elevata non è troppo importante per questa particolare applicazione, tuttavia l'alto fattore di amplificazione lo è.

Lo schema di base è simile al seguente (sto usando IAun pacchetto autonomo per un amplificatore di strumentazione; spesso questi hanno un resistore di guadagno esterno in modo da poter scegliere qualsiasi guadagno desiderato):

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

L'ampio fattore di amplificazione consente di utilizzare un resistore di rilevamento relativamente piccolo, mitigando gran parte dell'effetto della tensione di carico sul DUT.

Se stai solo cercando di acquistare una soluzione standard che fa effettivamente questo, potresti cercare qualcosa come uCurrent . Probabilmente ci sono anche circuiti integrati specifici progettati per questa gamma attuale.

Poiché le uscite di questo tipo di sensori di corrente sono solo una tensione analogica relativamente isolata, è possibile utilizzare qualsiasi oscilloscopio o misuratore di tensione standard per misurare la corrente.

Questi dispositivi molto semplici sono abbastanza buoni per le cose nelle gamme nano e micro ampere e sono relativamente facili da usare.

Per correnti ancora più piccole (gamme pico o fempto ampere), ci sono chip appositamente progettati come LMP7721 , insieme ad alcune pagine di note applicative sul design a bassa corrente. È improbabile che tu voglia qualcosa del genere per misurare l'assorbimento di corrente. Questi sono in genere utilizzati dalla comunità scientifica per misurare le uscite dei sensori (fotodiodi / altri sensori a corrente molto bassa).

Il Microchip AN1416: Guida alla progettazione a bassa potenza, a pagina 6 specifica una soluzione molto interessante e semplice per misurare un consumo statico di corrente molto basso, usando quello che chiamava "metodo del condensatore".

Una carica nota è impostata su un condensatore noto. Questa carica viene quindi utilizzata per alimentare il dispositivo in prova. Dopo un tempo noto, si scollega il condensatore dal Dut e si misura la loro tensione residua. Con questo delta e con una formula fornita dallo stesso documento, è possibile stimare la quantità di corrente consumata dal dispositivo in un determinato periodo di tempo.

Il documento indica inoltre quali tipi di condensatori utilizzare e come tenere conto della corrente di dispersione del condensatore.

Sotto il documento di Microchip.

http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/01416a.pdf#utm_source=Facebook&utm_medium=Social&utm_term=Post&utm_content=MCU8&utm_campaign=Low+Power+Design+Guide

La soluzione professionale consiste nell'utilizzare un multimetro da banco sufficientemente buono.

Ho incontrato persone che hanno misurato il consumo medio di corrente (<10µA) come parte della loro routine di sviluppo software, usando qualcosa come un Keysight 34465A con l'opzione 50000 misurazioni / s.

Una soluzione standard è una corrente di CMicrotek , che vale il prezzo. Ho misurato facilmente le correnti 1uA. Con un ambito posso vedere quando sono in esecuzione diverse funzioni della mia applicazione. È possibile collegarlo a un oscilloscopio o un voltmetro da banco.

Sto sviluppando dispositivi IoT a batteria da oltre 10 anni e ho trovato diversi metodi per farlo a seconda di ciò che sto cercando di realizzare. Se sto semplicemente cercando di trovare la corrente di sonno bassa di un sistema statico, mi piace mantenere la mia installazione relativamente semplice e utilizzare elementi comuni che puoi trovare nella maggior parte dei laboratori e utilizzare concetti elettrici di base. Facendo riferimento all'immagine seguente, scegliere un valore della resistenza di rilevamento (R1) che dia circa alcune centinaia di milivolt con l'assorbimento di corrente previsto. Ciò consentirà a un DMM standard di ottenere una misurazione relativamente accurata pur fornendo una tensione adeguata al DUT, anche a basse tensioni di alimentazione. Usando la legge di Ohm, puoi calcolare la corrente: I = V / R. Utilizzando il valore corrente atteso dal post originale di 6,2 uA, sarebbe sufficiente un valore della resistenza di rilevamento di 20k-30k (dallo 0,1 all'1%).

Nel caso in cui il DUT debba essere inizializzato a uno stato di bassa potenza, un ponticello in cortocircuito potrebbe essere posizionato sul resistore di rilevamento R1 fino a quando lo stato di bassa potenza non viene mantenuto. Ciò consentirebbe al DUT di assorbire tutta la corrente necessaria senza causare una caduta di tensione eccessiva. Una volta che il DUT raggiunge lo stato di bassa potenza previsto, è possibile rimuovere il ponticello in cortocircuito e misurare la corrente inattiva.

Mentre il metodo sopra funziona bene in condizioni statiche, non funzionerà in condizioni dinamiche, specialmente con le correnti di picco generalmente osservate nei dispositivi alimentati a batteria a causa dell'alta impedenza che presenta il metodo di misurazione. Per queste condizioni operative più reali come descrivi nel tuo aggiornamento, avrai bisogno di un dispositivo che misuri e registri accuratamente la corrente su una gamma dinamica molto ampia, possibilmente fino a 100.000: 1 (100mA fino a 1uA), fallo con sufficiente velocità per acquisire le transizioni di accensione e spegnimento rapide e integrare continuamente i risultati.

Questo è stato qualcosa che ha sempre richiesto molto tempo e fatica nei miei primi giorni. Tanto che ho deciso di creare un dispositivo appositamente progettato per gestire questo per me. Dai un'occhiata al link qui sotto:

Stimatore di energia della batteria di ingegneria integrata migliore 300