Misurare un'ampia gamma di corrente 800 µA - 1,5 A

Ho difficoltà a misurare la corrente in un dispositivo IoT che sto realizzando. Devo essere in grado di raccogliere dati sul consumo di energia nel tempo e sulla modalità di sospensione corrente. Stavo cercando di utilizzare un resistore di shunt per raccogliere i dati attuali, ma sto correndo per primo in un problema con Georg Ohm e tutte le sue leggi.

In modalità di sospensione, il mio dispositivo dovrebbe usare circa 800 µA di corrente, il mio alimentatore non così preciso sta dicendo che sta emettendo circa 2 mA, quindi forse ho un po 'più di codice da fare. Tuttavia, durante la modalità di sospensione, a intervalli apparentemente casuali, il modem si riaccenderà per un breve momento e trasmetterà (comportamento standard del modem di sospensione profonda). Questo burst di trasmissione può arrivare a circa 1,5 A.

Ad ogni modo, sto riscontrando un problema con l'uso di un resistore di shunt perché una caduta di tensione che mi permette di vedere dati significativi sulla corrente di sonno, fa cadere così tanta tensione durante un'esplosione di trasmissione che il mio dispositivo si riavvia.

Qualcuno potrebbe raccomandare un modo per misurare la corrente in un intervallo di corrente così ampio?

Specifiche del dispositivo:

• Corrente in modalità sospensione: 600 µA - 3 mA
• In corrente: 27-80 mA
• Trasmissione a raffica: fino a 1,5 A
• Voltaggio: 2,6 V - 4,2 V
• Corrente di carica: 400 mA

Di quanta precisione hai bisogno? Se hai solo bisogno di una stima, un diodo al silicio in serie ti fornirà un'indicazione più o meno logaritmica su una vasta gamma di correnti.

Il problema principale con un diodo, la variazione della caduta di tensione con la temperatura, può essere significativamente mitigato facendo funzionare un secondo diodo alla stessa temperatura con una corrente di riferimento. Due diodi all'interno di un ponte raddrizzatore sarebbero accoppiati termicamente e l'ideale per questo, ho segnato le connessioni sullo schema, bridge + ve rimane inutilizzato. Poiché il tuo carico ha una potenza molto bassa e le correnti elevate sono solo impulsi brevi, anche due singoli diodi collegati insieme dovrebbero essere OK. Un 1N540x per esempio è buono per 3 A continui e avrà comunque un significativo calo in avanti a 100 µA.

Ha il vantaggio che la tensione di carico cambia molto poco, forse qualche centinaio di mV tra 500 µA e 1,5 A, molto meno che con uno shunt resistivo che misurerà mA.

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

La sostituzione di R1 con un dissipatore di corrente renderebbe la corrente di riferimento più accurata, ma (tensione di alimentazione - 0,7 V) / R1 è probabilmente adeguata per la maggior parte degli scopi. Idealmente, la corrente di riferimento sarebbe nel mezzo dell'intervallo che si desidera misurare meglio. Da qualche parte nell'intervallo da 1 a 10 mA si sente bene.

La lettura del voltmetro sarà proporzionale al registro del rapporto tra carico e corrente di riferimento. L'impedenza di uscita dai diodi è molto bassa, quindi amplificare la differenza con un opamp, forse per ridimensionarla o riferirla a terra, sarà semplice.

Sarà necessario calibrare la conversione della misurazione a correnti alte e basse per stabilire la legge del registro e sarebbe opportuno verificarla in alcuni punti nel mezzo. Ricordare che la calibrazione ad alta corrente riscalda il diodo di carico, quindi potrebbe essere necessario utilizzare impulsi brevi, brevi come gli impulsi di trasmissione, per ridurre al minimo gli errori di deriva termica.

Un'estensione alla risposta di Neil_UK, se hai bisogno di una discreta precisione sulla corrente di sonno ma non ti interessa misurare la corrente elevata con lo stesso circuito, è mettere in parallelo un diodo e una resistenza:

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

In questo modo, quando la corrente è bassa, la tensione attraverso il resistore sarà piacevolmente proporzionale e sarà abbastanza bassa da far sì che il diodo sia effettivamente spento, quindi non devia troppo della corrente dal resistore (anche se controlla le specifiche sul tuo diodo).

Quando la corrente è alta, il diodo sta conducendo e limitando la caduta di tensione a un valore ragionevole. Se vuoi misurare anche la corrente in questo momento, puoi aggiungere un altro shunt in serie, in questo modo (idea per gentile concessione di @dim):

^{simula questo circuito}

Lo descrivi come una vasta gamma. Non lo è davvero.

Il tuo massimo di 1,5A è 1875 volte il tuo minimo di 800uA. Un ADC a 16 bit ha un intervallo di 65535 bit. Se si imposta un limite massimo di 5A e si consente alla corrente di essere positiva o negativa, si ottiene una risoluzione di 153uA per bit. Se la corrente non cambia troppo velocemente, puoi migliorare ulteriormente la tua risoluzione con il sovracampionamento - per esempio, 16 volte il sovracampionamento porterebbe questo a 38uA per bit. Quindi non ci sono problemi a fare la misurazione.

Il tuo problema è semplicemente la caduta di tensione sul resistore shunt. Il signor Ohm ha la risposta lì: riduci la resistenza di shunt! Puoi facilmente acquistare una resistenza da 0,1 ohm e persino 0,01 ohm. (Google "0R1" o "0R01", che sono i metodi standard per indicare le frazioni di un ohm.)

Il problema dopo è come misurare la tensione attraverso lo shunt. Avrai bisogno di un amplificatore differenziale con un'impedenza di ingresso molto elevata, in modo da poter misurare la tensione senza influenzarla. Volete quindi guadagnare un po 'di guadagno, in modo da poter guidare l'ADC con una tensione adeguata.

Le basse tensioni significano più problemi di rumore, quindi presta attenzione al tracciamento del percorso e a tutte le altre cose di layout delle migliori pratiche. Dovrai anche prestare la dovuta attenzione agli alimentatori e ai riferimenti stabili. I regolatori di modalità switch non sono i tuoi amici qui. Anche un regolatore lineare dopo una modalità di commutazione non ha necessariamente abbastanza PSRR per eliminare correttamente l'ondulazione.

Le fasi di guadagno avranno inevitabilmente un offset DC su di esse. Dovrai includere un passaggio di autocalibrazione in cui misuri la lettura ADC senza corrente e sottragga quella lettura zero quando stai effettivamente eseguendo le misurazioni correnti. Potresti farlo automaticamente all'avvio (molti metri "spuntano" all'avvio, ed è perché stanno cambiando i riferimenti integrati per fare quella auto-calibrazione) oppure potresti farlo una volta e quindi archiviare i risultati in NVM.

Tieni presente che questa è la risposta breve ! Spero che questo ti dia alcuni suggerimenti su come affrontare il problema.

So che è una vecchia domanda, ma le informazioni potrebbero essere ancora utili.

Potresti voler dare un'occhiata ad alcuni dei concetti di design di uCurrent di Dave Jones su EEVBlog. Sebbene non abbia auto range, copre le misurazioni di livello inferiore; Inoltre, alcune delle mod disponibili riducono il numero di intervalli pur rimanendo abbastanza accurate.

Come minimo avrei suddiviso le misure in intervalli inferiori a 1A (in realtà inferiori a 400mA) e superiori a 1A (ovvero 1,5A durante la trasmissione).

Senza ulteriori informazioni (che, ammetto, potrebbe non essere possibile a questo punto così lontano dalla domanda originale), è difficile dare dettagli, ma vedrò cosa posso fare.

A meno che tu non stia utilizzando un dispositivo monolitico mcu / ricetrasmettitore (nrf5x, STBlue, ecc.) Tratterei il percorso di alimentazione della radio nello stesso modo in cui si instraderebbero i percorsi di corrente digitale per evitare di influire sulla corrente analogica. Se si utilizza un dispositivo monolitico ad alta potenza, l'unica vera soluzione che vedo è quella di utilizzare un resistore di rilevamento molto piccolo combinato con un amplificatore / modulo di rilevamento corrente con un intervallo di input input molto ampio. So che ADI ha una coppia (di fatto stavo solo guardando gli amplificatori / moduli di rilevamento corrente ieri) che potrebbero funzionare. E se dovessi indovinare, TI ha anche dispositivi che funzionerebbero.

Un'altra fonte di informazioni sarebbe il blog di Jean-Claude Wippler su JEELabs . Nel corso degli anni (sembra circa 10+) ha fatto più di un esperimento a bordo della corrente assorbita mentre era alla ricerca di una maggiore durata della batteria. Anche se potrebbe non essere direttamente sul punto, può dare alle idee del PO in quale direzione andare. Questo è l'ultimo articolo che vedo sull'argomento. Per vedere la lunga lista e la storia del suo lavoro, ho usato la semplice ricerca su Google di

site:jeelabs.org current measurement

Ho appena scoperto CurrentRanger , che porta il concetto uCurrent (misurazioni di corrente a basso carico) a un livello completamente nuovo. Gamma automatica, uscita seriale e display OLED opzionale sono solo alcune delle nuove funzionalità. Lo schema e il firmware sono disponibili e Felix fornisce molti dettagli sul design.

Modifica: migliore dettaglio di ciò che stavo pensando collegando quelle pagine.

Seconda modifica: aggiungi CurrentRanger. Una delle lamentele nei commenti era che uCurrent non era auto range.

Ho avuto il problema della gamma dinamica durante il test dei contagocce di commutazione in modalità automobilistica. Per correnti di ingresso previste fino a 5 ampere ho usato uno shunt da 100 milliohm.

Durante il test se la corrente a vuoto assorbita da 24 V era inferiore a 7 mA, ho usato uno shunt da 10 Ω con un diodo Schottky da 10 A su di esso. La combinazione di shunt è rimasta nella mia maschera di prova. Ho commutato il mio DVM tra i due shunt con un interruttore scorrevole DPDT .

Era il 1995 e i numeri non erano grandi. In questi giorni è possibile passare elettronicamente per monitorare le tensioni di shunt. Se necessario, potresti avere più di due shunt collegati in serie. La chiave di ciò è bypassare lo shunt ad alta resistenza a bassa corrente con un diodo.

Un trucco che ho usato in passato è inserire la resistenza di rilevamento all'interno del circuito di retroazione di un amplificatore operazionale. Ciò consente alla tensione di alimentazione del dispositivo in prova di essere mantenuta abbastanza costante consentendo allo stesso tempo di sviluppare una tensione più elevata sulla resistenza di shunt.

Nel mio caso ho combinato questo con diversi amplificatori di strumentazione e ADC che funzionano in parallelo per ottenere una gamma dinamica più ampia.

Descrivo il sistema che ho costruito nel capitolo 5 della mia tesi di dottorato . Il mio sistema non sarà direttamente applicabile alla tua applicazione, ma potrebbe dare alcune idee sulle sfide da affrontare con un sistema come questo.

Qualche tempo dopo aver sviluppato il mio sistema fai-da-te ho scoperto che Agilent (ora Keysight) aveva sviluppato un sistema simile . Non economico però.

Come approccio alternativo, è possibile utilizzare un piccolo shunt adatto alla gamma 1,5 A e avere due circuiti di guadagno separati alimentati a due diversi ADC. Tramite il software puoi quindi scegliere quale usare in base alla loro lettura. Con una corrente più alta avrai il guadagno ADC più saturo e saprai che devi usare l'altro.

Il problema riguarda l'integrità del segnale con riduzione EMI.

1,5 A / 0,75 mA significa un SNR 66 dB e precisione sull'ADC.

Il rumore di fondo deve essere schermato, soppresso, filtrato con CMRR eccellente e mediato per ottenere ciò con un buon ADC a 16 bit.

Se non si dispone di questa risoluzione, è possibile disporre di due ingressi diversi con uno con un guadagno maggiore di 40 dB. La potenza di shunt e la tensione di errore di regolazione del carico ammissibile limitano la resistenza di shunt e in genere si scelgono 75 mV max. Un sensore di corrente IC con guadagno può essere un'emissione Moro.

Come raggiungere questo richiede esperienza. Con una risoluzione <-90 dB e un obiettivo di progettazione di 80 dB SNR si spera, è possibile ottenere 70 dB SNR.