Como medir o consumo de energia em dispositivos extremamente baixos?

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Isso pode ser uma notícia antiga em meia década ou duas, mas, pelos meios de hoje, estou me referindo a protótipos e desenhos eletrônicos que teriam uma faixa de corrente de μA (uA) e até nA.

Alguns MCUs recentes, como SAMD21, que estou usando atm, estão equipados com relógios internos, como, sempre ligados, osciladores RC de 32kHz com potência ultra baixa e consumo de apenas 125nA, e todo o microcontrolador é capaz de consumir apenas 6,2 μA no modo STANDBY com um RTC ao vivo.

Nesse tipo de corrente quieta e níveis de consumo de energia, as menores limitações nas máquinas internas de dispositivos de medição de bancada, como multímetros e osciloscópios, poderiam adicionar um pouco de erro à medição geral ou até mesmo medir um valor totalmente errado em situações como uma diferente retransmissão ao mudar a resolução de 6 para 8 casas decimais com precisão no multímetro.

Qual é o método mais preciso para medir o consumo total de corrente / energia em repouso para essas aplicações?


Atualizar:

Como mencionei em uma das respostas, medir as correntes baixas é difícil, mas muito possível, no entanto, tirar conclusões sobre a quantidade integrada de consumo atual para chegar a números para o consumo realista de todo o consumo de energia é mais o que eu tinha em mente.

Eu encontrei algumas soluções, como conversor de corrente de ampla faixa para frequência , no entanto, a ampla faixa nesta nota de aplicação é limitada apenas ao máximo de 200uA e, no meu caso, minha corrente máxima pode subir para miliamperes quando meu rádio está transmitindo e poderia cair para tão baixo quanto 3uA quando todo o sistema entrar em suspensão.

Mehrad
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Bem, se a corrente é DC um top multímetro bom banco pode medir-lo ...
Vladimir Cravero
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@VladimirCravero, mas pode medi-lo sem realmente afetar a medição. Pedras de Heisenburg.
23417 Trevor_G
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Mas você pode conseguir um bom convidado, ligando o dispositivo a partir de um capacitor em vez de uma bateria e comparando o gráfico de descarga com e sem o dispositivo conectado.
23417 Trevor_G
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Uma corrente de 125nA pode ser facilmente medida com um sensor de corrente de 1M R para criar 125mV e, portanto, a tensão da fonte pode ser aumentada na mesma quantidade. Qual é o problema?
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75 /
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O EEVBlog uCurrent GOLD é barato, tem uma largura de banda> 300 kHz e uma resolução de 1 pA com um medidor de 5,5 dígitos ao medir nA. Você pode conectá-lo a um multímetro para medições precisas de corrente contínua e um osciloscópio para medições transitórias.
uint128_t

Respostas:

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Uma solução é usar um amplificador de instrumentação para medir a queda de tensão em um resistor de derivação. Eles foram projetados para oferecer uma impedância de entrada extremamente alta para as duas entradas do amplificador (acima de 1 giga-ohm), enquanto permitem amplificar esse sinal por fatores relativamente grandes (1000x não é incomum). Observe que o fato de haver uma impedância de entrada realmente alta não é muito importante para esta aplicação em particular, no entanto, o alto fator de amplificação é.

O esquema básico é assim (estou usando IAum pacote independente para um amplificador de instrumentação; geralmente, eles possuem um resistor de ganho externo para que você possa escolher o ganho que desejar):

esquemático

simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab

O grande fator de amplificação permite que você use um resistor sensor relativamente pequeno, mitigando uma grande parte do efeito da tensão de carga no seu DUT.

Se você está apenas querendo comprar uma solução pronta para uso que efetivamente faça isso, você pode procurar algo como o uCurrent . Provavelmente também existem CIs específicos projetados para esta faixa atual.

Como as saídas desse tipo de sensor de corrente são apenas uma tensão analógica relativamente isolada, você pode usar qualquer osciloscópio ou medidor de tensão padrão para medir a corrente.

Esses dispositivos muito simples são bons o suficiente para itens nas faixas de nano e micro ampere e são relativamente fáceis de usar.

Para correntes ainda menores (faixas de pico ou fempto ampère), existem chips especialmente projetados, como o LMP7721 , juntamente com algumas páginas de notas de aplicação sobre o design de baixa corrente. É improvável que você queira algo assim para medir o consumo de corrente de energia. Estes são normalmente usados ​​pela comunidade científica para medir as saídas dos sensores (fotodiodos / outros sensores de corrente muito baixa).

helloworld922
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Comentei acima e, em seguida, notei o seu link uCurrent. O uCurrent é definitivamente a solução OTS mais fácil para isso e +1 para explicar a abordagem de bricolage.
23817 uint128_t
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O problema surgirá quando o dispositivo for ativado e a corrente saltar muitas ordens de magnitude. Para acomodar uma faixa possivelmente enorme, a derivação deve ser dinamicamente variável ou ter resistência logarítmica. Uma solução (usando o diodo schottky como derivação variável) foi discutida aqui há poucas semanas, mas não consigo encontrar o link.
Ale..chenski 23/03
Ok, aqui está o link: electronics.stackexchange.com/q/255646/117785
Ale..chenski 23/17
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Esse foi um ótimo link de discussão que você forneceu à @AliChen, obrigado. O uCurrent é um ótimo produto, mas para meu desenvolvedor doméstico eu posso fazer sem precisão, desde que eu possa fazer comparações razoáveis ​​até cerca de 1 uA. Eu trabalho muito com os AVRs e simplesmente coloco um resistor 1N914 e 100k paralelo no fio terra. Eu uso o meu CRO para assistir a corrente através do resistor. Inicialmente, defino manualmente a fonte de alimentação para 5 V e ajuste-a manualmente para 3,3 V quando estiver dormindo. Não tenho problema em comparar as opções de sono profundo dessa maneira. Sem grande precisão, mas funciona para comparar opções de processadores e de suspensão.
Jack Creasey
Você teria alguma recomendação sobre como medir o "consumo de energia" geral por acaso? Medir a corrente é um lado do problema, no entanto, integrar as medições e concluir o consumo geral de energia é um labirinto totalmente diferente. Eu estava esperando as pessoas vêm com idéias como a atual para conversores de frequência, etc.
Mehrad
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O Microchip AN1416: Guia de Projeto de Baixa Potência, na página 6 especifica uma solução muito interessante e simples para medir o consumo estático de corrente muito baixo, usando o que chamou de 'método do capacitor'.

Uma carga conhecida é ajustada em um capacitor conhecido. Essa carga é usada para fornecer energia ao dispositivo em teste. Após um tempo conhecido, você desconecta o capacitor do Dut e mede sua tensão residual. Com esse delta e com uma fórmula fornecida pelo mesmo documento, é possível estimar a quantidade de corrente consumida pelo dispositivo por um período de tempo.

O documento também aponta quais tipos de capacitores usar e como contabilizar a corrente de fuga do capacitor.

Abaixo do documento da 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

H Krammes
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A solução profissional é usar um multímetro de bancada suficientemente bom.

Eu conheci pessoas que mediram o consumo médio de corrente (<10µA) como parte de sua rotina de desenvolvimento de software, usando algo como um Keysight 34465A com a opção 50000 medidas / s.

starblue
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Também existem multímetros com faixas abaixo de 1 µA, 200 nA, 20 nA, 2 nA.
Uwe
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Uma solução pronta para uso é uma corrente da CMicrotek , que vale o preço. Eu medi facilmente correntes de 1uA. Com um escopo, posso ver quando diferentes funções do meu aplicativo estão em execução. Você pode conectá-lo a um osciloscópio ou a um voltímetro de bancada.

filo
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EEVBlog uCurrent GOLD é muito mais barato.
Chupacabras 23/03
@Chupacabras Um garfo da IKEA também é mais barato, eles não fazem as mesmas coisas.
pipe
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Desenvolvo dispositivos IoT alimentados por bateria há mais de 10 anos e encontrei vários métodos para fazer isso, dependendo do que estou tentando realizar. Se simplesmente tentar encontrar a baixa corrente de suspensão de um sistema estático, gosto de manter minha configuração relativamente simples e usar itens comuns que você pode encontrar na maioria dos laboratórios e usar conceitos elétricos básicos. Fazendo referência à imagem abaixo, escolha um valor do resistor sensor (R1) que ofereça aproximadamente algumas centenas de milivolts com o consumo de corrente esperado. Isso permitirá que um DMM padrão obtenha uma medição relativamente precisa, enquanto ainda fornece voltagem adequada ao DUT, mesmo em baixas tensões de alimentação. Usando a Lei de Ohms, você pode calcular a corrente: I = V / R. Usando o valor atual esperado do post original de 6,2 uA, um valor do resistor sensor de 20k-30k (0,1 a 1%) seria suficiente.

Em um caso em que o DUT precisa ser inicializado para um estado de baixa potência, um jumper de curto-circuito pode ser colocado através do resistor sensor R1 até que o estado de baixa potência seja mantido. Isso permitiria que o DUT consumisse a corrente necessária sem causar uma queda excessiva de tensão. Quando o DUT atingir o estado esperado de baixa potência, o jumper de curto-circuito pode ser removido e a medição da corrente inativa pode ser realizada.

insira a descrição da imagem aqui

Embora o método acima funcione bem em condições estáticas, ele não funcionará em condições dinâmicas, especialmente com as correntes de pico normalmente vistas em dispositivos alimentados por bateria devido à alta impedância que o método de medição apresenta. Para essas condições operacionais mais reais, como você descreve em sua atualização, você precisará de um dispositivo que meça e registre com precisão a corrente em uma faixa dinâmica muito ampla, possivelmente até 100.000: 1 (100mA até 1uA), faça-o com bastante velocidade para capturar as transições de ativação e desativação rápidas e integrar continuamente os resultados.


Isso era algo que sempre exigia muito tempo e esforço nos meus primeiros dias. Tanto que decidi criar um dispositivo que foi desenvolvido especificamente para lidar com isso para mim. Cheque o link abaixo:

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ABELHA
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Dave Tweed