Làm thế nào để đo mức tiêu thụ năng lượng trên các thiết bị có công suất cực thấp?

Đây có thể là tin cũ trong một hoặc hai thập kỷ nhưng bằng phương tiện ngày nay, tôi đang đề cập đến các nguyên mẫu và thiết kế điện tử sẽ tạo ra một phạm vi μA (uA) và thậm chí là nA hiện tại.

Một số MCU gần đây, chẳng hạn như SAMD21 mà tôi đang sử dụng atm được trang bị đồng hồ bên trong, như luôn luôn, Bộ tạo dao động RC 32kHz cực thấp , chỉ rút ra 125nA và toàn bộ vi điều khiển chỉ có thể tiêu thụ 6,2A ở chế độ STANDBY với một RTC sống.

Trong các loại mức tiêu thụ dòng điện và mức tiêu thụ điện năng này, những hạn chế nhỏ nhất trong máy móc bên trong của các thiết bị đo băng ghế như đồng hồ vạn năng và máy hiện sóng có thể thêm một chút lỗi vào phép đo tổng thể hoặc thậm chí đo lường giá trị sai trong các tình huống như khác chuyển tiếp đá khi thay đổi độ phân giải từ 6 đến 8 vị trí thập phân chính xác trên đồng hồ vạn năng của bạn.

Phương pháp chính xác nhất để đo mức tiêu thụ dòng điện / năng lượng tĩnh cho các ứng dụng đó là gì?

Cập nhật:

Như tôi đã đề cập trong một trong những câu trả lời, việc đo dòng điện thấp là khó nhưng rất có thể, tuy nhiên, việc đưa ra kết luận về lượng tiêu thụ hiện tại để đưa ra con số cho thực tế so với tất cả mức tiêu thụ năng lượng là điều tôi nghĩ đến.

Tôi đã tìm hiểu một số giải pháp như dòng biến tần rộng cho bộ biến tần , tuy nhiên phạm vi rộng trong ghi chú ứng dụng này chỉ giới hạn ở mức tối đa 200uA và trong trường hợp của tôi, dòng tối đa của tôi có thể tăng lên đến milliamp khi radio của tôi truyền và có thể giảm xuống thấp đến 3uA khi cả hệ thống đi ngủ.

Một giải pháp là sử dụng bộ khuếch đại thiết bị để đo điện áp rơi trên điện trở shunt. Chúng được thiết kế để cung cấp trở kháng đầu vào cực cao cho cả hai đầu vào của bộ khuếch đại (vượt quá 1 giga-ohm), trong khi cho phép bạn khuếch đại tín hiệu này theo các yếu tố tương đối lớn (1000x không phải là hiếm). Lưu ý rằng thực tế là có trở kháng đầu vào thực sự cao không quá quan trọng đối với ứng dụng cụ thể này, tuy nhiên hệ số khuếch đại cao là.

Sơ đồ cơ bản trông như thế này (Tôi đang sử dụng IAlà một gói độc lập cho bộ khuếch đại thiết bị; thông thường, chúng có điện trở khuếch đại bên ngoài để bạn có thể chọn bất kỳ mức tăng nào bạn muốn):

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Hệ số khuếch đại lớn cho phép bạn sử dụng một điện trở có ý nghĩa tương đối nhỏ, giảm thiểu một phần lớn ảnh hưởng của điện áp gánh nặng lên DUT của bạn.

Nếu bạn chỉ đang tìm mua một giải pháp sẵn có mà hiệu quả này, bạn có thể xem xét một cái gì đó giống như uC Hiện tại . Có lẽ cũng có những IC cụ thể được thiết kế cho phạm vi hiện tại này.

Vì đầu ra của các loại cảm biến hiện tại này chỉ là một điện áp tương tự cách ly tương đối, bạn có thể sử dụng bất kỳ máy hiện sóng tiêu chuẩn hoặc đồng hồ đo điện áp nào để đo dòng điện.

Những thiết bị rất đơn giản này đủ tốt cho những thứ trong phạm vi nano và micro ampere và tương đối dễ sử dụng.

Đối với các dòng điện nhỏ hơn (phạm vi pico hoặc feemo ampere), có các chip được thiết kế đặc biệt như LMP7721 , cùng với một vài trang ghi chú ứng dụng về thiết kế hiện tại thấp. Không chắc bạn sẽ muốn một cái gì đó như thế này để đo mức tiêu thụ điện. Chúng thường được sử dụng bởi cộng đồng khoa học để đo đầu ra cảm biến (photodiodes / cảm biến dòng điện rất thấp khác).

Microchip AN1416: Hướng dẫn thiết kế công suất thấp, ở trang 6 chỉ định một giải pháp rất thú vị và đơn giản để đo mức tiêu thụ tĩnh hiện tại rất thấp, sử dụng cái gọi là 'phương pháp tụ điện'.

Một điện tích đã biết được đặt trên một tụ điện đã biết. Khoản phí này sau đó được sử dụng để cung cấp năng lượng cho Thiết bị được Thử nghiệm. Sau một thời gian đã biết, bạn ngắt kết nối tụ điện khỏi Dut và đo điện áp còn lại của chúng. Với đồng bằng này và với một công thức được cung cấp bởi cùng một tài liệu, bạn có thể ước tính mức độ thiết bị của bạn tiêu thụ trong một khoảng thời gian.

Tài liệu cũng chỉ ra loại tụ điện nào sẽ sử dụng và cách tính toán dòng rò của tụ điện.

Dưới tài liệu từ Microchip.

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

Giải pháp chuyên nghiệp là sử dụng đồng hồ vạn năng đủ tốt.

Tôi đã gặp những người đã đo mức tiêu thụ hiện tại trung bình (<10 ĐAA) như một phần của thói quen phát triển phần mềm của họ, sử dụng một cái gì đó như Keysight 34465A với tùy chọn 50000 phép đo / s.

Một giải pháp sẵn có là một uC hiện tại từ CMicrotek , đáng giá. Tôi dễ dàng đo dòng điện 1uA. Với một phạm vi tôi có thể thấy khi các chức năng khác nhau của ứng dụng của tôi đang chạy. Bạn có thể kết nối nó với một phạm vi hoặc một vôn kế để bàn.

Tôi đã phát triển các thiết bị IoT chạy bằng pin trong hơn 10 năm và đã tìm thấy nhiều phương pháp để thực hiện việc này tùy thuộc vào những gì tôi đang cố gắng thực hiện. Nếu chỉ đơn giản là cố gắng tìm dòng ngủ thấp của hệ thống tĩnh, tôi muốn giữ cho thiết lập của mình tương đối đơn giản và sử dụng các vật dụng thông thường bạn có thể tìm thấy trong hầu hết các phòng thí nghiệm và sử dụng các khái niệm điện cơ bản. Tham khảo hình ảnh bên dưới, chọn giá trị điện trở cảm giác (R1) mang lại khoảng vài trăm milivol với mức vẽ hiện tại dự kiến. Điều này sẽ cho phép DMM tiêu chuẩn có được phép đo tương đối chính xác trong khi vẫn cung cấp điện áp phù hợp cho DUT, ngay cả ở điện áp cung cấp thấp. Sử dụng Định luật Ohms, bạn có thể tính toán hiện tại: I = V / R. Sử dụng giá trị hiện tại dự kiến ​​từ bài gốc ban đầu là 6,2 uA, giá trị điện trở cảm giác là 20k-30k (0,1 đến 1%) là đủ.

Trong trường hợp DUT cần được khởi tạo ở trạng thái năng lượng thấp, một bước nhảy ngắn có thể được đặt trên điện trở cảm giác R1 cho đến khi duy trì trạng thái năng lượng thấp. Điều này sẽ cho phép DUT rút ra nhiều dòng điện cần thiết mà không gây sụt áp quá mức. Khi DUT đạt đến trạng thái năng lượng thấp dự kiến, có thể loại bỏ bước nhảy ngắn và có thể thực hiện phép đo dòng nhàn rỗi.

Mặc dù phương pháp trên hoạt động tốt trong điều kiện tĩnh, nhưng nó sẽ không hoạt động trong điều kiện động, đặc biệt là với dòng điện cực đại thường thấy trong các thiết bị chạy bằng pin do trở kháng cao mà phương pháp đo thể hiện. Đối với các điều kiện vận hành trong thế giới thực hơn như bạn mô tả trong bản cập nhật của mình, bạn sẽ cần một thiết bị đo chính xác và ghi lại dòng điện trong phạm vi động rất rộng, có thể lên tới 100.000: 1 (giảm 100mA xuống 1uA), làm điều đó với đủ tốc độ để nắm bắt các chuyển đổi bật và tắt nhanh, và liên tục tích hợp các kết quả.

Đây là điều luôn mất rất nhiều thời gian và công sức trong những ngày đầu của tôi. Đến nỗi tôi quyết định tạo ra một thiết bị được xây dựng nhằm mục đích xử lý việc này cho tôi. Kiểm tra các liên kết dưới đây:

Công cụ ước tính năng lượng pin nhúng tốt hơn 300