Como medir o consumo de energia em dispositivos extremamente baixos?

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.

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):

^{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).

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

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.

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.

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.

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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