Meça uma ampla faixa de corrente de 800 µA - 1,5 A

Estou tendo dificuldade em medir a corrente em um dispositivo IoT que estou criando. Preciso poder coletar dados sobre o consumo de energia ao longo do tempo e sobre a corrente no modo de suspensão. Eu estava tentando usar um resistor de derivação para reunir os dados atuais, mas estou enfrentando um problema com Georg Ohm e todas as suas leis.

No modo de suspensão, meu dispositivo deve usar cerca de 800 µA de corrente, meu PSU não tão preciso está dizendo que está produzindo cerca de 2 mA, então talvez eu tenha um pouco mais de codificação para fazer. No entanto, durante o modo de suspensão, a intervalos aparentemente aleatórios, o modem liga novamente por um breve momento e transmite (comportamento padrão do modem de suspensão profunda). Este burst de transmissão pode ser de cerca de 1,5 A.

De qualquer forma, estou tendo um problema ao usar um resistor de derivação, porque uma queda de tensão que me permite ver dados significativos sobre a corrente de suspensão diminui tanta tensão durante uma explosão de transmissão que meu dispositivo é reiniciado.

Alguém poderia recomendar uma maneira de medir corrente tão grande?

Especificações do dispositivo:

• Corrente do modo de suspensão: 600 µA - 3 mA
• Na corrente: 27-80 mA
• Transmitir burst: até 1,5 A
• Tensão: 2.6 V - 4.2 V
• Corrente de carga: 400 mA

Quanta precisão você precisa? Se você precisar apenas de uma estimativa, um diodo de silício em série fornecerá mais ou menos indicações logarítmicas em uma ampla gama de correntes.

O principal problema com um diodo, a variação na queda de tensão com a temperatura, pode ser significativamente atenuado executando um segundo diodo na mesma temperatura com uma corrente de referência. Dois diodos dentro de uma ponte retificadora seriam acoplados termicamente e, ideal para isso, marquei as conexões no esquema, ponte + ve permanece sem uso. Como sua carga é de potência muito baixa e as correntes altas são apenas pulsos curtos, até dois diodos individuais juntos devem estar OK. Um 1N540x, por exemplo, é bom para 3 A contínuos e ainda terá uma queda direta significativa em 100 µA.

Tem a vantagem de que a tensão de carga muda muito pouco, talvez algumas centenas de mV entre 500 µA e 1,5 A, muito menos do que com um shunt resistivo que mede mA.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Substituir R1 por um coletor de corrente tornaria a corrente de referência mais precisa, mas (tensão de alimentação - 0,7 V) / R1 provavelmente é adequada para a maioria dos propósitos. Idealmente, a corrente de referência estaria no meio da faixa que você deseja medir melhor. Em algum lugar na faixa de 1 a 10 mA é bom.

A leitura do voltímetro será proporcional ao log da razão da carga em relação à corrente de referência. A impedância de saída dos diodos é muito baixa; portanto, é fácil amplificar a diferença com um opamp, talvez para escalá-lo ou fazer referência à terra.

Você precisará calibrar a conversão da medição em correntes alta e baixa para estabelecer a lei de log, e seria bom verificar isso em alguns pontos intermediários. Lembre-se de que a calibração em alta corrente aquecerá o diodo de carga; portanto, você pode precisar usar pulsos curtos, tão curtos quanto os pulsos de transmissão, para minimizar os erros de desvio térmico.

Uma extensão da resposta de Neil_UK, se você precisar de precisão decente na corrente de suspensão, mas não se importar em medir alta corrente com o mesmo circuito, é colocar um diodo e um resistor em paralelo:

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Dessa forma, quando a corrente é baixa, a tensão no resistor será proporcional e será suficientemente baixa para que o diodo esteja efetivamente desligado, para que não afaste muito a corrente do resistor (embora verifique as especificações do seu diodo).

Quando a corrente é alta, o diodo está conduzindo e limitando a queda de tensão a algum valor razoável. Se você também deseja medir a corrente neste momento, pode adicionar outro desvio em série, como o seguinte (ideia cortesia de @dim):

^{simule este circuito}

Você descreve isso como uma ampla variedade. Realmente não é.

Seu máximo de 1,5 A é 1875 vezes o mínimo de 800 uA. Um ADC de 16 bits tem um intervalo de 65535 bits. Se você definir um limite máximo de 5A e permitir que a corrente seja positiva ou negativa, isso fornecerá uma resolução de 153uA por bit. Se a corrente não mudar muito rápido, você poderá melhorar ainda mais sua resolução com a super amostragem - por exemplo, 16 vezes a super amostragem reduziria para 38uA por bit. Portanto, não há problemas ao fazer a medição.

Seu problema é simplesmente a queda de tensão no resistor de derivação. O Sr. Ohm tem a resposta aqui - diminua o seu resistor de derivação! Você pode facilmente comprar um resistor de 0,1 ohm e até 0,01 ohm. (Google "0R1" ou "0R01", que são as formas padrão de denotar frações de um ohm.)

O problema depois disso é como medir a tensão através do shunt. Você precisará de um amplificador diferencial com uma impedância de entrada muito alta, para poder medir a tensão sem afetá-la. Você deseja obter algum ganho, para poder conduzir o ADC com uma voltagem adequada.

Tensões baixas significam mais problemas de ruído; portanto, preste atenção ao roteamento de trilhas e a todas as outras coisas de layout de práticas recomendadas. Você também precisará prestar atenção adequada às fontes de alimentação e referências estáveis. Os reguladores de modo de comutação não são seus amigos aqui. Mesmo um regulador linear após um modo de comutação não tem necessariamente PSRR suficiente para eliminar adequadamente a ondulação.

Os estágios de ganho terão inevitavelmente algum deslocamento de CC neles. Você precisará incluir uma etapa de autocalibração, onde você mede a leitura do ADC sem corrente e, em seguida, subtrai essa leitura zero quando estiver realmente fazendo medições de corrente. Você poderia fazer isso automaticamente na inicialização (muitos metros "marcam" quando iniciam, e é porque eles estão alternando entre as referências integradas para fazer a calibração automática) ou você pode fazê-lo uma vez e depois armazenar os resultados no NVM.

Tenha em mente que esta é a resposta curta ! Espero que isso dê algumas dicas de como lidar com o problema.

Sei que é uma pergunta antiga, mas as informações ainda podem ser úteis.

Você pode conferir alguns dos conceitos de design do uCurrent de Dave Jones no EEVBlog. Embora não tenha alcance automático, abrange as medições de nível mais baixo; Além disso, alguns dos mods disponíveis no mercado reduzem o número de intervalos, mantendo a precisão.

No mínimo, eu dividiria as medições em faixas abaixo de 1A (na verdade abaixo de 400mA) e acima de 1A (também conhecidas como 1,5A durante a transmissão).

Sem mais informações (que admito que talvez não seja possível até o momento da pergunta original), é difícil fornecer detalhes, mas verei o que posso fazer.

A menos que você esteja usando um dispositivo mcu / transceptor monolítico (nrf5x, STBlue, etc), eu trataria o caminho de fornecimento de rádio da mesma maneira que um encaminhamento de caminhos de corrente digital para evitar afetar sua corrente analógica. Se você estiver usando um dispositivo monolítico de alta potência, a única solução real que vejo é usar um resistor sensor muito pequeno combinado com um amplificador / módulo sensor de corrente que possui uma faixa de entrada de entrada muito ampla. Eu sei que a ADI tem alguns pares (na verdade, eu estava apenas olhando para os amplificadores / módulos de sensores atuais ontem) que podem funcionar. E se eu tivesse que adivinhar, a TI também possui dispositivos que funcionariam.

Outra fonte de informação seria o blog de Jean-Claude Wippler no JEELabs . Ao longo dos anos (parece ter mais de 10 anos), ele fez mais de um experimento a bordo do consumo atual, em busca de uma maior duração da bateria. Embora possa não estar diretamente no ponto, pode dar às idéias do OP em que direção seguir. Este é o artigo mais recente que vejo sobre o assunto. Para ver a longa lista e o histórico de seu trabalho, usei a simples pesquisa no Google de

site:jeelabs.org current measurement

Acabei de descobrir o CurrentRanger , que leva o conceito uCurrent (medições de corrente de carga reduzida) a um nível totalmente novo. Variação automática, saída serial e um display OLED opcional são apenas alguns dos novos recursos. O esquema e o firmware estão disponíveis e Felix entra em uma quantidade razoável de detalhes no design.

Edit: melhor detalhe do que eu estava pensando, vinculando essas páginas.

Segunda edição: adicione o CurrentRanger. Uma das reclamações nos comentários foi que o uCurrent não era de alcance automático.

Eu tive o problema de faixa dinâmica ao testar conta-gotas de tensão de modo automotivo. Para correntes de entrada esperadas de até 5 amperes, usei um shunt de 100 milhões de hm.

Ao testar se a corrente sem carga extraída de 24 V foi inferior a 7 mA, usei um desvio de 10 with com um diodo Schottky de 10 A no seu interior. A combinação de derivação ficou no meu gabarito de teste. Troquei meu DVM entre as duas derivações com uma chave deslizante DPDT .

Isso foi em 1995 e os números não eram grandes. Atualmente, você pode alternar eletronicamente para monitorar as tensões de derivação. Você pode ter mais de duas derivações conectadas em série, se necessário. A chave para isso é ignorar o desvio de baixa corrente de alta resistência com um diodo.

Um truque que usei no passado é colocar o resistor sensor dentro do loop de feedback de um amplificador operacional. Isso permite que a tensão de alimentação do dispositivo em teste seja mantida razoavelmente constante, enquanto permite que uma tensão mais alta seja desenvolvida no resistor de derivação.

No meu caso, combinei isso com vários amplificadores de instrumentação e ADCs funcionando paralelamente para obter uma faixa dinâmica mais ampla.

Descrevo o sistema que construí no capítulo 5 da minha tese de doutorado . Meu sistema não será diretamente aplicável ao seu aplicativo, mas pode fornecer algumas idéias dos desafios a serem enfrentados com um sistema como este.

Algum tempo depois de desenvolver meu sistema de bricolage, descobri que a Agilent (agora Keysight) havia desenvolvido um sistema semelhante . Não é barato embora.

Como uma abordagem alternativa, você pode usar um pequeno desvio que se ajusta à faixa de 1,5 A e ter dois circuitos de ganho separados, alimentados a dois ADCs diferentes. Por software, você pode escolher qual usar com base em sua leitura. Com corrente mais alta, você terá o maior ganho de ADC saturado e saberá que precisa usar o outro.

O problema está relacionado à integridade do sinal com redução de EMI.

1.5A / 0.75mA significa um SNR de 66 dB e precisão no ADC.

O ruído de fundo deve ser protegido, suprimido, filtrado com excelente CMRR e calculado a média para obter isso com um bom ADC de 16 bits.

Se você não tiver essa resolução, poderá ter duas entradas diferentes, uma delas com ganho 40dB maior. A potência do shunt e a tensão de erro permitida na regulação da carga limitam a resistência do shunt e geralmente é escolhido 75 mV máx. Um sensor de corrente IC com ganho pode ser uma alteração Moro.

Como conseguir isso requer experiência. Com resolução <-90 dB e um objetivo de design de 80 dB SNR, esperamos que você possa atingir 70 dB SNR.