Измерьте широкий диапазон тока 800 мкА - 1,5 А

У меня проблемы с измерением тока в устройстве IoT, которое я делаю. Мне нужно иметь возможность собирать данные о потребляемой мощности с течением времени и о текущем режиме ожидания. Я пытался использовать шунтирующий резистор для сбора текущих данных, но сначала я столкнулся с проблемой Георга Ома и всех его законов.

В спящем режиме мое устройство должно потреблять около 800 мкА тока, мой не очень точный блок питания говорит, что он выдает около 2 мА, поэтому, возможно, мне нужно немного больше кодирования. Однако в спящем режиме с, по-видимому, случайными интервалами модем снова включается на короткое время и передает (стандартное поведение модема глубокого сна). Этот импульс передачи может составлять до 1,5 А.

В любом случае, у меня возникла проблема с использованием шунтирующего резистора, потому что падение напряжения, которое позволяет мне видеть любые значимые данные о спящем токе, приводит к падению такого напряжения во время пакета передачи, что мое устройство перезапускается.

Кто-нибудь может порекомендовать способ измерения тока в таком большом диапазоне тока?

Технические характеристики устройства:

• Ток в спящем режиме: 600 мкА - 3 мА
• По току: 27-80 мА
• Взрыв передачи: до 1,5 А
• Напряжение: 2,6 В - 4,2 В
• Зарядный ток: 400 мА

Сколько точности вам нужно? Если вам нужна только оценка, то последовательный кремниевый диод даст вам более или менее логарифмическую индикацию в широком диапазоне токов.

Основная проблема с диодом, изменение падения напряжения в зависимости от температуры, может быть значительно уменьшена путем запуска второго диода при той же температуре с опорным током. Два диода в выпрямительном мосту будут иметь тепловую связь и идеально подходят для этого, я обозначил соединения на схеме, мост + ve остается неиспользованным. Поскольку ваша нагрузка очень мала, а высокие токи представляют собой только короткие импульсы, даже два отдельных диода, соединенных вместе, должны быть в порядке. Например, 1N540x хорош для непрерывного 3 A и все еще будет иметь значительное прямое падение при 100 мкА.

Преимущество заключается в том, что напряжение нагрузки изменяется очень мало, возможно, на несколько сотен мВ между 500 мкА и 1,5 А, что намного меньше, чем при использовании резистивного шунта, который будет измерять мА.

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

Замена R1 потребителем тока сделает эталонный ток более точным, но (напряжение питания - 0,7 В) / R1, вероятно, подходит для большинства целей. В идеале, опорный ток должен быть в середине диапазона, который вы хотите измерить лучше всего. Где-то в диапазоне от 1 до 10 мА чувствует себя хорошо.

Показания вольтметра будут пропорциональны логарифму отношения нагрузки к опорному току. Выходное сопротивление диодов очень низкое, поэтому усиление разности с помощью операционного усилителя, возможно, для его масштабирования или для привязки к земле, будет простым.

Вам потребуется откалибровать преобразование измерений при высоких и низких токах, чтобы установить закон регистрации, и было бы хорошо проверить его в нескольких точках между ними. Помните, что калибровка при высоком токе нагревает диод нагрузки, поэтому вам может потребоваться использовать короткие импульсы, такие же короткие, как и передаваемые импульсы, чтобы минимизировать ошибки теплового дрейфа.

Расширение ответа Neil_UK, если вам нужна приличная точность по току сна, но вам не нужно измерять большой ток с помощью одной и той же цепи, - это поставить диод и резистор параллельно:

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

Таким образом, когда ток низкий, напряжение на резисторе будет хорошо пропорциональным, и оно будет достаточно низким, чтобы диод был эффективно отключен, чтобы он не шунтировал слишком много тока от резистора (хотя проверьте спецификации на ваш диод).

Когда ток высокий, диод проводит и ограничивает падение напряжения до некоторого разумного значения. Если вы хотите измерить ток в это время, вы можете добавить еще один шунт в серии, например, так (идея любезно предоставлена ​​@dim):

^{смоделировать эту схему}

Вы описываете это как широкий диапазон. Это действительно не так.

Максимальное значение 1,5 А в 1875 раз превышает минимальное значение 800 мкА. 16-разрядный АЦП имеет диапазон 65535 бит. Если вы установите максимальный предел в 5 А и допустите, чтобы ток был положительным или отрицательным, это даст вам разрешение 153 мкА на бит. Если ток не меняется слишком быстро, вы можете еще больше улучшить разрешение с помощью передискретизации - например, 16-кратная передискретизация снизит это до 38 мкА на бит. Так что нет никаких проблем, делая измерения.

Ваша проблема - просто падение напряжения на шунтирующем резисторе. У мистера Ома есть ответ: уменьшите резистор! Вы можете легко купить резистор 0,1 Ом и даже 0,01 Ом. (Google "0R1" или "0R01", которые являются стандартными способами обозначения доли ома.)

После этого проблема заключается в том, как измерить напряжение на шунте. Вам понадобится дифференциальный усилитель с очень высоким входным сопротивлением, чтобы вы могли измерять напряжение, не влияя на него. Затем вы захотите поставить на него некоторое усиление, чтобы вы могли управлять АЦП подходящим напряжением.

Низкое напряжение означает больше проблем с шумом, поэтому обратите внимание на маршрутизацию трека и все другие передовые методы компоновки. Вам также нужно будет уделить должное внимание стабильным источникам питания и ссылкам. Регуляторы с переключением режимов здесь не ваши друзья. Даже линейный регулятор после режима переключения не обязательно имеет достаточно PSRR, чтобы должным образом уничтожить пульсации.

Этапы усиления неизбежно будут иметь некоторое смещение по постоянному току. Вам нужно будет включить шаг самокалибровки, при котором вы измеряете показания АЦП без тока, а затем вычитаете это нулевое показание, когда вы фактически делаете измерения тока. Вы можете сделать это автоматически при запуске (многие метры «тикают» при запуске, и это происходит потому, что они переключаются между встроенными ссылками для выполнения этой автоматической калибровки), или вы можете сделать это один раз, а затем сохранить результаты в NVM.

Имейте в виду, что это короткий ответ! Я надеюсь, что это даст вам несколько советов о том, как решить проблему.

Я знаю, что это старый вопрос, но информация все еще может быть полезной.

Возможно, вы захотите ознакомиться с некоторыми концепциями дизайна uCurrent Дэйва Джонса в EEVBlog. Хотя он не имеет автоматического определения дальности, он охватывает измерения более низкого уровня; Также некоторые из модов уменьшают количество диапазонов, оставаясь при этом достаточно точными.

Как минимум, я бы разбил измерения на диапазоны ниже 1 А (фактически ниже 400 мА) и выше 1 А (около 1,5 А во время передачи).

Без большей информации (которая, я признаю, может быть невозможно при таком удалении первоначального вопроса) трудно дать конкретику, но я посмотрю, что я могу сделать.

Если вы не используете монолитное устройство mcu / transceiver (nrf5x, STBlue и т. Д.), Я бы трактовал путь подачи радиосигнала точно так же, как если бы вы перенаправляли пути цифрового тока, чтобы избежать влияния на ваш аналоговый ток. Если вы используете монолитное устройство большой мощности, единственное реальное решение, которое я вижу, - это использование очень маленького чувствительного резистора в сочетании с усилителем / модулем измерения тока, который имеет очень широкий входной диапазон. Я знаю, что в ADI есть пара (на самом деле я только что посмотрел на современные смысловые усилители / модули), которые могут работать. И если бы мне пришлось угадывать, у TI также есть устройства, которые будут работать.

Другим источником информации мог бы стать блог Жана-Клода Випплера в JEELabs . За прошедшие годы (похоже, около 10+) он провел более одного эксперимента по потреблению тока на борту в поисках более долгого времени автономной работы. Несмотря на то, что это может быть не совсем понятно, оно может дать ОП идеи о том, в каком направлении двигаться дальше. Это последняя статья, которую я вижу по теме. Чтобы увидеть длинный список и историю его работ, я воспользовался простым поиском Google

site:jeelabs.org current measurement

Я только что обнаружил CurrentRanger , который выводит концепцию uCurrent (измерения тока с низкой нагрузкой) на совершенно новый уровень. Автонастройка, последовательный выход и дополнительный OLED-дисплей - это всего лишь пара новых функций. Схема и прошивка доступны, и Феликс подробно рассказывает о дизайне.

Изменить: более подробно о том, что я думал, связывая эти страницы.

Второе редактирование: добавьте CurrentRanger. Одна из жалоб в комментариях заключалась в том, что uCurrent не имел автоматического выбора диапазона.

У меня была проблема с динамическим диапазоном при тестировании автомобильных переключателей напряжения переключающего режима. Для ожидаемых входных токов до 5 ампер я использовал шунт на 100 миллиом.

При тестировании, если ток холостого хода от 24 В был меньше 7 мА, я использовал шунт 10 Ом с диодом Шоттки 10 А на нем. Комбинация шунтов осталась в моем испытательном приспособлении. Я переключил свой DVM между двумя шунтами с помощью ползункового переключателя DPDT .

Это было в 1995 году, и цифры были невелики. В эти дни вы можете переключаться в электронном виде для контроля напряжения шунта. При необходимости вы можете иметь более двух последовательно соединенных шунтов. Ключом к этому является обход шунта с высоким сопротивлением и низким током с помощью диода.

Одна хитрость, которую я использовал в прошлом, - это поместить сенсорный резистор в контур обратной связи операционного усилителя. Это позволяет поддерживать постоянное напряжение питания на тестируемом устройстве, в то же время обеспечивая более высокое напряжение на шунтирующем резисторе.

В моем случае я сочетал это с несколькими инструментальными усилителями и АЦП, работающими параллельно, чтобы получить более широкий динамический диапазон.

Я опишу систему, которую построил в главе 5 своей диссертации . Моя система не будет напрямую применима к вашему приложению, но она может дать некоторые представления о проблемах, с которыми приходится сталкиваться в такой системе.

Через некоторое время после того, как я разработал свою систему DIY, я обнаружил, что Agilent (теперь Keysight) разработала аналогичную систему . Не дешево, хотя.

В качестве альтернативного подхода вы можете использовать небольшой шунт, который соответствует диапазону 1,5 А, и иметь две отдельные цепи усиления, подаваемые на два разных АЦП. С помощью программного обеспечения вы можете выбрать, какой из них использовать, основываясь на их чтении. С более высоким током вы получите насыщенный АЦП с большим усилением, и вы будете знать, что вам нужно использовать другой.

Проблема все в целостности сигнала с уменьшением EMI.

1,5 А / 0,75 мА означает SNR 66 дБ и точность на АЦП.

Фоновый шум должен быть экранирован, подавлен, отфильтрован с превосходной CMRR и усреднен для достижения этого с хорошим 16-битным АЦП.

Если у вас нет этого разрешения, вы можете использовать два разных входа, один из которых будет иметь усиление на 40 дБ. Мощность шунта и допустимое напряжение ошибки регулирования нагрузки ограничивают сопротивление шунта, и обычно выбирается максимум 75 мВ. Датчик тока IC с усилением может быть изменен.

Как этого добиться, требует опыта. Надеемся, что с разрешением <-90 дБ и расчетной целью SNR 80 дБ можно достичь SNR 70 дБ.