Maneiras de medir corrente em picoamperes

Preciso verificar o baixo consumo de energia de um microcontrolador na faixa de picoamperes . Eu só tenho um multímetro capaz de medir miliamperes e, como tal, mostra 0.

Existe uma maneira fácil e precisa de medir picoamperes?

Ligue o microcontrolador com um capacitor, carregado com uma voltagem conhecida. Aguarde um período de tempo apropriado e meça a tensão. Calcule a corrente a partir do delta-V e do C. (Não meça a tensão continuamente, a menos que você tenha um medidor com uma impedância suficientemente alta, pois isso pode gerar corrente extra.) Você precisará de um capacitor com capacitância conhecida, mas com uma pitada, você pode medir um capcitor da mesma maneira descarregando-o através de um resistor conhecido.

Como os comentários apontam, outros caminhos atuais podem contribuir para a descarga do capacitor (incluindo a descarga automática). Você pode repetir a medição com a UC removida e ver qual valor isso fornece. Em seguida, você pode pensar se pode evitar realisticamente essas "outras" correntes em seu design.

E não esqueça que as baterias se descarregam e / ou envelhecem!

Se você deseja "ver" demais o modo de desligamento do chip em ação, você pode usar o capacitor, construa um circuito simples que o conecte periodicamente à fonte de alimentação (se possível, sincronizado com o ciclo de atividade do uC, ele deve ter muito baixa corrente de vazamento!) e observe a tensão do C em um osciloscópio (a impedância do osciloscópio deve ser maior que o consumo de corrente do UC, ou você pode até usar o acoplamento CA se o ciclo de atividade do uC for curto o suficiente). verifique a divisão temporal no consumo de corrente alto e baixo e as correntes nos dois modos.

Um método simples que usei é colocar um resistor em série com a potência do micro e paralelá-lo a um capacitor. O vazamento do capacitor não é tão importante neste caso.

Por exemplo, se você acha que a corrente de fornecimento não deve ser superior a 10nA, pode usar um resistor de valor 10M 1% em paralelo com um capacitor de cerâmica de 1uF. Isso fornecerá 100,0mV para 10nA (portanto, a carga do amperímetro é de 0,1V, o que não deve afetar excessivamente o circuito - aumente a tensão de entrada um pouco para compensar a queda, caso isso o incomode).

Em seguida, observe a tensão no resistor 10M usando um voltímetro com alta impedância de entrada, como o Agilent 34401 no modo> 10G de resistência de entrada. A corrente de polarização do medidor influenciará a leitura, mas é inferior a 30pA (0,3%) à temperatura ambiente.

A combinação 10M / 1uF filtra os picos, a menos que ocorram em frequência muito baixa (se, por exemplo, seu processador acordar uma vez a cada 10 segundos e consumir 0,5mA por 100usec, não funcionará muito bem).

O consumo de energia ou corrente de um microcontrolador pode ser muito irregular, dependendo do estado do µC. Por exemplo: 1pA para 999 ms e 1uA para 1 ms. Em média, seria 1,001 nA. Se o seu multímetro fizesse uma medição a cada 100ms, nunca mediria 1.001 nA! Nesse caso, você precisa usar um resistor em série com a alimentação e um osciloscópio para medir a tensão no resistor para "ver" a corrente real ao longo do tempo.

A maioria dos osciloscópios especifica sua impedância de entrada de canal. Tende a ser sobre um Gigaohm. Se você colocar o osciloscópio no caminho de aterramento do uC (a maioria dos osciloscópios conecta o aterramento do canal ao aterramento e talvez não consiga colocar um aterramento no VDD do uC), estará medindo a tensão nesse resistor, e, portanto, a corrente sendo usada pelo uC, em tempo real. Isso deve fornecer medições bastante precisas (1mV => 1pA).

Vamos examinar a questão de saber se a bateria "se importa" - ou seja, uma carga na faixa de pA afetaria significativamente a vida útil da bateria?

Spoiler: Não. Mesmo medições capazes de resolução de 1 nA são mais "precisas" do que as necessárias na prática.

As melhores baterias de lítio primárias (não recarregáveis) têm vida útil útil de cerca de 20 anos (com talvez 30% a 70% de perda de capacidade) sem mais do que atenção sensata às temperaturas, etc. Exemplos típicos são

20 anos são cerca de 175.000 horas; portanto, 10 mAh de perda nesse período equivale a uma corrente de 10 / 175.000 mA ou 10.000.000 / 175.000 = 57 = 57.000 pA. Portanto, a medição de pA é completamente desnecessária para qualquer tamanho de bateria que possa ser usado.

Por exemplo, uma bateria de 50 mAh com 50% de perda de validade após 20 anos (um bom truque, se você puder fazê-lo) permitiria 25 mAh para a carga ou uma corrente média de 142.500 pA = 142,5 nA = 0,1425 uA. Medir o nA mais próximo da corrente de carga média fornece cerca de 1% de precisão - o que permitirá uma estimativa muito mais precisa da vida útil da bateria do que você encontrará na realidade. Variações práticas irão inundar essas tentativas.