Как измерить энергопотребление на устройствах с чрезвычайно низким энергопотреблением?

Это могут быть старые новости через пол-десятилетия или два, но сегодня я имею в виду электронные прототипы и конструкции, которые потребляли бы ток в мкА (мкА) и даже в нА.

Некоторые недавние микроконтроллеры, такие как SAMD21, который я использую atm, оснащены внутренними часами, такими как, всегда включенные, внутренние маломощные RC-генераторы 32 кГц со сверхнизким энергопотреблением, которые потребляют всего 125 нА, а весь микроконтроллер способен потреблять всего 6,2 мкА в режиме ожидания. с живой RTC.

В этих типах уровней тока покоя и энергопотребления наименьшие ограничения во внутреннем механизме настольных измерительных приборов, таких как мультиметры и осциллографы, могут добавить значительную долю ошибки к общему измерению или даже измерить неправильное значение сглаживания в ситуациях, подобных другому. реле срабатывает при изменении разрешения от 6 до 8 знаков после запятой на вашем мультиметре.

Каков наиболее точный метод измерения общего тока покоя / энергопотребления для таких приложений?

Обновить:

Как я упоминал в одном из ответов, измерять низкие токи сложно, но очень возможно, однако я сделал вывод о том, как интегрировать величину потребления тока, чтобы получить цифры для реалистичности по всем потребляемой мощности.

Я столкнулся с некоторыми решениями, такими как широкополосный преобразователь тока в частоту , однако широкий диапазон в этой заметке по применению ограничен макс. 200 мкА, и в моем случае мой максимальный ток может возрасти до миллиампер при передаче радиосигнала и может падение до 3uA, когда вся система переходит в режим сна.

Одним из решений является использование инструментального усилителя для измерения падения напряжения на шунтирующем резисторе. Они предназначены для обеспечения чрезвычайно высокого входного сопротивления для обоих входов усилителя (более 1 гига-ома), в то же время позволяя усиливать этот сигнал с помощью относительно больших факторов (1000х нередко). Обратите внимание, что факт наличия действительно высокого входного сопротивления не слишком важен для этого конкретного применения, однако высокий коэффициент усиления имеет значение.

Базовая схема выглядит следующим образом (я использую IAавтономный пакет для инструментального усилителя; часто у них есть внешний резистор усиления, поэтому вы можете выбрать любое усиление):

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Большой коэффициент усиления позволяет вам использовать относительно маленький сенсорный резистор, уменьшая значительную часть влияния напряжения нагрузки на ваше тестируемое устройство.

Если вы просто хотите купить готовое решение, которое эффективно это делает, вы можете посмотреть что-то вроде uCurrent . Вероятно, существуют также специальные микросхемы, разработанные для этого диапазона.

Поскольку выходы датчиков тока этого типа представляют собой относительно изолированное аналоговое напряжение, вы можете использовать любой стандартный осциллограф или измеритель напряжения для измерения тока.

Эти очень простые устройства достаточно хороши для вещей в диапазоне нано и микроампер и относительно просты в использовании.

Для еще меньших токов (диапазоны пико или фемпто-ампер) существуют специально разработанные микросхемы, такие как LMP7721 , а также несколько страниц с указаниями по применению для слаботочных конструкций. Вряд ли вы захотите что-то подобное для измерения потребляемой мощности. Как правило, они используются научным сообществом для измерения выходных сигналов датчиков (фотодиодов / других датчиков с очень низким током).

Микрочип AN1416: Руководство по проектированию с низким энергопотреблением на странице 6 описывает очень интересное и простое решение для измерения статического потребления при очень низком токе с использованием так называемого «конденсаторного метода».

Известный заряд установлен на известном конденсаторе. Этот заряд затем используется для подачи питания на тестируемое устройство. По истечении известного времени вы отключаете конденсатор от Dut и измеряете их остаточное напряжение. С помощью этой дельты и с формулой, предоставленной тем же документом, вы можете оценить, какой ток потребляет ваше устройство за определенный период времени.

В документе также указывается, какие типы конденсаторов использовать и как учитывать ток утечки конденсатора.

Ниже документ от Микрочипа.

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

Профессиональное решение - использовать достаточно хороший настольный мультиметр.

Я встречал людей, которые измеряли среднее потребление тока (<10 мкА) как часть своей рутины разработки программного обеспечения, используя что-то вроде Keysight 34465A с опцией 50000 измерений / с.

Готовое решение - это uCurrent от CMicrotek , который стоит своей цены. Я легко измерил токи 1uA. С помощью области я могу видеть, когда выполняются различные функции моего приложения. Вы можете подключить его к осциллографу или настольному вольтметру.

Я разрабатываю устройства IoT с питанием от батарей уже более 10 лет и нашла несколько способов сделать это в зависимости от того, чего я пытаюсь достичь. Если вы просто пытаетесь найти низкий ток сна статической системы, я бы хотел сделать мои настройки относительно простыми, использовать общие элементы, которые вы можете найти в большинстве лабораторий, и использовать основные электрические концепции. Ссылаясь на изображение ниже, выберите значение чувствительного резистора (R1), которое дает примерно несколько сотен милливольт с ожидаемым потреблением тока. Это позволит стандартному цифровому мультиметру получать относительно точные измерения, в то же время обеспечивая соответствующее напряжение на тестируемом устройстве даже при низком напряжении питания. Используя закон Ома, вы можете рассчитать ток: I = V / R. Используя ожидаемое значение тока от исходного поста 6,2 мкА, достаточно значения чувствительного резистора 20 кОм (от 0,1 до 1%).

В случае, когда проверяемое устройство должно быть инициализировано в состоянии низкого энергопотребления, короткозамкнутая перемычка может быть размещена на чувствительном резисторе R1 до тех пор, пока состояние низкого энергопотребления не будет поддерживаться. Это позволило бы тестируемому устройству потреблять столько тока, сколько ему нужно, не вызывая чрезмерного падения напряжения. Как только тестируемое устройство достигает ожидаемого состояния низкого энергопотребления, закорачивающая перемычка может быть удалена, и может быть выполнено измерение тока холостого хода.

Хотя вышеуказанный метод хорошо работает в статических условиях, он не будет работать в динамических условиях, особенно с пиковыми токами, обычно наблюдаемыми в устройствах с батарейным питанием, из-за высокого импеданса, который представляет метод измерения. Для этих более реальных условий эксплуатации, как вы описываете в своем обновлении, вам потребуется устройство, которое точно измеряет и регистрирует ток в очень широком динамическом диапазоне, возможно, до 100 000: 1 (от 100 мА до 1 мкА), сделайте это с достаточным количеством скорость, чтобы захватить быстрое включение и выключение переходов, и постоянно интегрировать результаты.

Это было то, что всегда занимало много времени и усилий в мои первые годы. Настолько, что я решил создать устройство, специально предназначенное для этого. Проверьте ссылку ниже:

Лучшая встроенная инженерная батарея Energy Estimator 300