¿Cómo medir el consumo de energía en dispositivos de muy baja potencia?

Esto podría ser una noticia vieja en media década o dos, pero por los medios de hoy, me refiero a prototipos electrónicos y diseños que dibujarían en un rango de corriente μA (uA) e incluso nA.

Algunas MCU recientes, como SAMD21 que estoy usando atm, están armadas con relojes internos como, siempre encendidos, osciladores RC internos de 32 kHz de ultra baja potencia que consumirían solo 125nA, y todo el microcontrolador es capaz de consumir solo 6.2μA en modo STANDBY con un RTC en vivo.

En este tipo de corriente de reposo y niveles de consumo de energía, las limitaciones más pequeñas en la maquinaria interna de los dispositivos de medición de banco, como multímetros y osciloscopios, podrían agregar un poco de error a la medición general o incluso medir un valor incorrecto en situaciones como una diferente. el relé se activa al cambiar la resolución de 6 a 8 decimales de precisión en su multímetro.

¿Cuál es el método más preciso para medir el consumo general de corriente / potencia en reposo para tales aplicaciones?

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Como mencioné en una de las respuestas, medir las bajas corrientes es difícil pero muy posible, sin embargo, tener más en cuenta lo que tenía en mente es sacar conclusiones sobre la cantidad integrada de consumo de corriente para obtener números para el consumo de energía realista .

Me he topado con algunas soluciones, como el convertidor de corriente a frecuencia de amplio rango , sin embargo, el amplio rango en esta nota de aplicación solo se limita al máximo de 200uA y, en mi caso, mi corriente máxima puede aumentar a miliamperios cuando mi radio está transmitiendo y podría caer a tan solo 3uA cuando todo el sistema se va a dormir.

Una solución es usar un amplificador de instrumentación para medir la caída de voltaje a través de una resistencia de derivación. Estos están diseñados para ofrecer una impedancia de entrada extremadamente alta a ambas entradas del amplificador (más de 1 giga-ohm), mientras le permiten amplificar esta señal por factores relativamente grandes (1000x no es infrecuente). Tenga en cuenta que el hecho de que haya una impedancia de entrada realmente alta no es demasiado importante para esta aplicación en particular, sin embargo, el factor de amplificación alto sí lo es.

El esquema básico se ve así (estoy usando IAun paquete autónomo para un amplificador de instrumentación; a menudo, estos tienen una resistencia de ganancia externa para que pueda elegir la ganancia que desee):

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

El gran factor de amplificación le permite usar una resistencia de detección relativamente pequeña, mitigando una gran parte del efecto del voltaje de carga en su DUT.

Si solo está buscando comprar una solución comercial que haga esto de manera efectiva, podría buscar algo como uCurrent . Probablemente también haya circuitos integrados específicos diseñados para este rango actual.

Dado que las salidas de este tipo de sensores de corriente son solo un voltaje analógico relativamente aislado, puede usar cualquier osciloscopio o medidor de voltaje estándar para medir la corriente.

Estos dispositivos muy simples son lo suficientemente buenos para las cosas en los rangos de nano y microamperios y son relativamente fáciles de usar.

Para corrientes aún más pequeñas (rangos de pico o de amperes fempto), hay chips especialmente diseñados como el LMP7721 , junto con algunas páginas de notas de aplicación sobre diseño de baja corriente. Es poco probable que desee algo como esto para medir el consumo de corriente. Por lo general, estos son utilizados por la comunidad científica para medir las salidas del sensor (fotodiodos / otros sensores de muy baja corriente).

El Microchip AN1416: Guía de diseño de baja potencia, en la página 6, especifica una solución muy interesante y simple para medir el consumo estático de corriente muy bajo, utilizando lo que llamó 'el método del condensador'.

Una carga conocida se establece en un condensador conocido. Esta carga se usa para suministrar energía al dispositivo bajo prueba. Después de un tiempo conocido, desconecta el condensador del Dut y mide su voltaje residual. Con este delta y con una fórmula provista por el mismo documento, puede estimar la cantidad de corriente que consume su dispositivo durante un período de tiempo.

El documento también señala qué tipos de condensadores usar y cómo contabilizar la corriente de fuga del condensador.

Debajo del documento de 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 solución profesional es utilizar un multímetro de banco suficientemente bueno.

Conocí a personas que midieron el consumo de corriente promedio (<10 µA) como parte de su rutina de desarrollo de software, usando algo como un Keysight 34465A con la opción de 50000 mediciones / s.

Una solución estándar es un uCurrent de CMicrotek , que vale la pena el precio. Medí fácilmente las corrientes de 1uA. Con un alcance, puedo ver cuándo se ejecutan diferentes funciones de mi aplicación. Puede conectarlo a un osciloscopio o un voltímetro de sobremesa.

Llevo más de 10 años desarrollando dispositivos IoT alimentados por batería, y he encontrado varios métodos para hacerlo dependiendo de lo que estoy tratando de lograr. Si simplemente trato de encontrar la baja corriente de reposo de un sistema estático, me gusta mantener mi configuración relativamente simple, y usar elementos comunes que puede encontrar en la mayoría de los laboratorios, y usar conceptos eléctricos básicos. Haciendo referencia a la imagen a continuación, elija un valor de resistencia de detección (R1) que proporcione aproximadamente unos cientos de milivoltios con el consumo de corriente esperado. Esto permitirá que un DMM estándar obtenga una medición relativamente precisa mientras proporciona un voltaje adecuado al DUT, incluso a bajos voltajes de suministro. Usando la Ley de Ohms, puede calcular la corriente: I = V / R. Usando el valor de corriente esperado del poste original de 6.2 uA, un valor de resistencia de detección de 20k-30k (0.1 a 1%) sería suficiente.

En un caso donde el DUT necesita inicializarse a un estado de baja potencia, se podría colocar un puente de cortocircuito a través de la resistencia de detección R1 hasta que se mantenga el estado de baja potencia. Esto permitiría al DUT consumir tanta corriente como sea necesario sin causar una caída de voltaje excesiva. Una vez que el DUT llega al estado de baja potencia esperado, se puede quitar el puente de cortocircuito y se puede tomar la medición de corriente inactiva.

Si bien el método anterior funciona bien en condiciones estáticas, no funcionará en condiciones dinámicas, especialmente con las corrientes máximas típicamente observadas en dispositivos alimentados por batería debido a la alta impedancia que presenta el método de medición. Para estas condiciones operativas del mundo real como describe en su actualización, necesitará un dispositivo que mida y registre con precisión la corriente en un rango dinámico muy amplio, posiblemente hasta 100,000: 1 (100mA hasta 1uA), hágalo con suficiente velocidad para capturar las transiciones rápidas de encendido y apagado e integrar continuamente los resultados.

Esto fue algo que siempre tomó mucho tiempo y esfuerzo en mis primeros días. Tanto es así que decidí crear un dispositivo diseñado específicamente para manejar esto por mí. Revisa el enlace a continuación:

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