Bagaimana Mengukur Konsumsi Daya pada Perangkat dengan Daya Sangat Rendah?

Ini mungkin berita lama dalam satu setengah dekade atau dua tetapi dengan cara hari ini, saya mengacu pada prototipe elektronik dan desain yang akan menarik dalam μA (uA) dan bahkan nA berbagai arus.

Beberapa MCU baru-baru ini, seperti SAMD21 yang saya gunakan atm dipersenjatai dengan jam internal seperti, selalu menyala, Ultra Low Power Internal 32kHz RC Oscillators yang hanya menggambar 125nA, dan seluruh mikrokontroler hanya mampu mengkonsumsi 6.2μA pada mode STANDBY dengan RTC langsung.

Dalam jenis arus diam dan tingkat konsumsi daya, batasan terkecil dalam mesin internal perangkat pengukuran bangku seperti multimeter dan osiloskop dapat menambah sedikit kesalahan pada pengukuran keseluruhan atau bahkan mengukur nilai salah yang rata dalam situasi seperti perbedaan relay menendang ketika mengubah resolusi dari 6 ke 8 tempat desimal akurasi pada multimeter Anda.

Apa metode yang paling tepat untuk mengukur konsumsi arus / daya diam keseluruhan untuk aplikasi seperti itu?

Memperbarui:

Seperti yang saya sebutkan di salah satu balasan, mengukur arus rendah sulit tetapi sangat mungkin, namun, membuat kesimpulan tentang jumlah konsumsi saat ini yang terintegrasi untuk menghasilkan angka untuk realistis atas semua konsumsi daya adalah lebih dari yang ada dalam pikiran saya.

Saya telah menemukan beberapa solusi seperti konverter frekuensi saat ini ke rentang lebar , namun jangkauan luas dalam catatan aplikasi ini hanya terbatas pada maks 200uA dan dalam kasus saya, arus maks saya dapat naik hingga miliamp ketika radio saya mentransmisikan dan dapat turun ke serendah 3uA ketika seluruh sistem tidur.

Salah satu solusinya adalah menggunakan penguat instrumentasi untuk mengukur penurunan tegangan pada resistor shunt. Ini dirancang untuk menawarkan impedansi input yang sangat tinggi untuk kedua input amplifier (lebih dari 1 giga-ohm), sementara memungkinkan Anda untuk memperkuat sinyal ini dengan faktor yang relatif besar (1000x tidak jarang). Perhatikan bahwa fakta bahwa terdapat impedansi input sangat tinggi tidak terlalu penting untuk aplikasi khusus ini, namun faktor amplifikasi tinggi adalah.

Skema dasar terlihat seperti ini (saya menggunakan IAadalah paket mandiri untuk penguat instrumentasi; seringkali, ini memiliki hambatan gain eksternal sehingga Anda dapat memilih keuntungan apa pun yang Anda inginkan):

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Faktor amplifikasi besar memungkinkan Anda untuk menggunakan penghambat indra yang relatif kecil, mengurangi sebagian besar efek dari tegangan beban pada DUT Anda.

Jika Anda hanya ingin membeli solusi yang tidak efektif yang dapat melakukan ini secara efektif, Anda dapat melihat sesuatu seperti uCurrent . Mungkin ada juga IC spesifik yang dirancang untuk rentang saat ini.

Karena output dari jenis sensor arus ini hanya merupakan tegangan analog yang relatif terisolasi, Anda dapat menggunakan osiloskop standar atau pengukur tegangan untuk mengukur arus.

Perangkat yang sangat sederhana ini cukup baik untuk berbagai hal dalam rentang nano dan mikro ampere dan relatif mudah digunakan.

Untuk arus yang bahkan lebih kecil (rentang pico atau fempto ampere), ada chip yang dirancang khusus seperti LMP7721 , bersama dengan beberapa halaman catatan aplikasi pada desain arus rendah. Tidak mungkin Anda menginginkan sesuatu seperti ini untuk mengukur daya yang mengalir saat ini. Ini biasanya digunakan oleh komunitas ilmiah untuk mengukur output sensor (fotodioda / sensor arus sangat rendah lainnya).

The Microchip AN1416: Panduan Desain Daya Rendah, pada halaman 6 menentukan solusi yang sangat menarik dan sederhana untuk mengukur konsumsi statis arus yang sangat rendah, menggunakan apa yang disebutnya 'metode kapasitor'.

Biaya yang diketahui diatur pada kapasitor yang dikenal. Biaya ini kemudian digunakan untuk memasok daya untuk Perangkat yang sedang diuji. Setelah waktu yang diketahui, Anda melepaskan kapasitor dari Dut dan mengukur tegangan sisa mereka. Dengan delta ini dan dengan formula yang disediakan oleh dokumen yang sama, Anda dapat memperkirakan berapa banyak konsumsi perangkat Anda selama periode waktu tertentu.

Dokumen ini juga menunjukkan jenis kapasitor yang akan digunakan dan bagaimana menghitung arus bocor kapasitor.

Di bawah dokumen dari 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

Solusi profesional adalah menggunakan bangku multimeter yang cukup bagus.

Saya telah bertemu orang-orang yang mengukur konsumsi rata-rata saat ini (<10μA) sebagai bagian dari rutin pengembangan perangkat lunak mereka, menggunakan sesuatu seperti Keysight 34465A dengan opsi 50.000 pengukuran / s.

Solusi off-the-shelf adalah uCurrent dari CMicrotek , sepadan dengan harganya. Saya dengan mudah mengukur arus 1uA. Dengan cakupan saya bisa melihat ketika berbagai fungsi aplikasi saya berjalan. Anda dapat menghubungkannya ke lingkup atau voltmeter benchtop.

Saya telah mengembangkan perangkat IoT bertenaga baterai sekarang selama lebih dari 10 tahun, dan telah menemukan beberapa metode untuk melakukan ini tergantung pada apa yang saya coba capai. Jika hanya mencoba menemukan arus tidur rendah dari sistem statis, saya ingin menjaga pengaturan saya relatif sederhana, dan menggunakan barang-barang umum yang dapat Anda temukan di sebagian besar laboratorium, dan menggunakan konsep dasar listrik. Merujuk gambar di bawah ini, pilih nilai sense resistor (R1) yang memberikan kira-kira beberapa ratus milivolt dengan gambar arus yang diharapkan. Ini akan memungkinkan DMM standar untuk mendapatkan pengukuran yang relatif akurat sambil tetap memberikan tegangan yang memadai untuk DUT, bahkan pada tegangan pasokan rendah. Menggunakan Hukum Ohms, Anda dapat menghitung saat ini: I = V / R. Menggunakan nilai arus yang diharapkan dari pos asli 6,2 uA, nilai resistor indera 20k-30k (0,1 hingga 1%) akan cukup.

Dalam kasus di mana DUT perlu diinisialisasi ke kondisi daya rendah, jumper korslet dapat ditempatkan melintasi resistor indra R1 sampai kondisi daya rendah dipertahankan. Ini akan memungkinkan DUT untuk menarik arus sebanyak yang dibutuhkan tanpa menyebabkan penurunan tegangan yang berlebihan. Setelah DUT mencapai kondisi daya rendah yang diharapkan, jumper korslet dapat dihapus, dan pengukuran arus idle dapat diambil.

Walaupun metode di atas bekerja dengan baik di bawah kondisi statis, itu tidak akan bekerja dalam kondisi dinamis, terutama dengan arus puncak yang biasanya terlihat pada perangkat bertenaga baterai karena impedansi tinggi yang disajikan oleh metode pengukuran. Untuk kondisi operasi dunia yang lebih nyata ini seperti yang Anda jelaskan dalam pembaruan Anda, Anda akan memerlukan perangkat yang secara akurat mengukur dan mencatat arus pada rentang dinamis yang sangat luas, mungkin hingga 100.000: 1 (100mA hingga 1uA), lakukan dengan cukup kecepatan untuk menangkap transisi menghidupkan dan mematikan yang cepat, dan terus menerus mengintegrasikan hasilnya.

Ini adalah sesuatu yang selalu membutuhkan banyak waktu dan upaya di masa-masa awal saya. Sedemikian rupa sehingga saya memutuskan untuk membuat perangkat yang sengaja dibuat untuk menangani ini untuk saya. Lihat tautan di bawah ini:

Penanam Energi Baterai Rekayasa Lebih Baik 300