Comment mesurer la consommation d'énergie sur des appareils à très faible consommation?

Cela pourrait être une vieille nouvelle dans une demi-décennie ou deux, mais par les moyens d'aujourd'hui, je fais référence à des prototypes et des conceptions électroniques qui attireraient une gamme de courant μA (uA) et même nA.

Certains MCU récents, tels que SAMD21 que j'utilise atm, sont armés d'horloges internes telles que, toujours allumées, des oscillateurs RC internes 32kHz à très faible puissance qui ne consomment que 125 nA, et le microcontrôleur dans son ensemble est capable de consommer seulement 6,2 μA en mode STANDBY avec un RTC en direct.

Dans ces types de niveaux de courant et de consommation d'énergie au repos, les plus petites limitations dans la machinerie interne des appareils de mesure de banc tels que les multimètres et les oscilloscopes pourraient ajouter une bonne quantité d'erreur à la mesure globale ou même mesurer une valeur fausse et plate dans des situations comme une autre le relais intervient lorsque vous changez la résolution de 6 à 8 décimales près sur votre multimètre.

Quelle est la méthode la plus précise pour mesurer la consommation globale de courant / puissance de repos pour de telles applications?

Mise à jour:

Comme je l'ai mentionné dans l'une des réponses, la mesure des faibles courants est difficile mais très possible, cependant, ce que j'avais à l'esprit était de tirer des conclusions sur la quantité intégrée de consommation de courant pour arriver à des chiffres réalistes sur toute la consommation d'énergie.

J'ai rencontré des solutions telles que le convertisseur de courant en fréquence à large plage , mais la large plage dans cette note d'application est uniquement limitée au maximum de 200 uA et dans mon cas, mon courant maximal peut atteindre des milliampères lorsque ma radio transmet et pourrait chuter à aussi bas que 3 uA lorsque tout le système se met en veille.

Une solution consiste à utiliser un amplificateur d'instrumentation pour mesurer la chute de tension aux bornes d'une résistance de shunt. Ceux-ci sont conçus pour offrir une impédance d'entrée extrêmement élevée aux deux entrées de l'amplificateur (au-delà de 1 giga-ohm), tout en vous permettant d'amplifier ce signal par des facteurs relativement importants (1000x n'est pas rare). Notez que le fait qu'il existe une impédance d'entrée vraiment élevée n'est pas trop important pour cette application particulière, mais le facteur d'amplification élevé l'est.

Le schéma de base ressemble à ceci (j'utilise IAest un package autonome pour un amplificateur d'instrumentation; souvent, ceux-ci ont une résistance de gain externe afin que vous puissiez choisir le gain que vous voulez):

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Le grand facteur d'amplification vous permet d'utiliser une résistance de détection relativement petite, atténuant une grande partie de l'effet de la tension de charge sur votre DUT.

Si vous cherchez simplement à acheter une solution standard qui le fait efficacement, vous pouvez envisager quelque chose comme uCurrent . Il existe probablement aussi des circuits intégrés spécifiques conçus pour cette gamme actuelle.

Étant donné que les sorties de ce type de capteurs de courant ne sont qu'une tension analogique relativement isolée, vous pouvez utiliser n'importe quel oscilloscope ou voltmètre standard pour mesurer le courant.

Ces appareils très simples sont assez bons pour les choses dans les gammes nano et micro ampères et sont relativement faciles à utiliser.

Pour des courants encore plus petits (gammes pico ou fempto ampères), il existe des puces spécialement conçues telles que la LMP7721 , ainsi que quelques pages de notes d'application sur la conception à faible courant. Il est peu probable que vous souhaitiez quelque chose comme ça pour mesurer la consommation de courant. Ceux-ci sont généralement utilisés par la communauté scientifique pour mesurer les sorties des capteurs (photodiodes / autres capteurs à très faible courant).

Le Microchip AN1416: Low Design Design Guide, à la page 6 spécifie une solution très intéressante et simple pour mesurer la très faible consommation d'électricité statique, en utilisant ce qu'il a appelé «la méthode des condensateurs».

Une charge connue est établie sur un condensateur connu. Cette charge est ensuite utilisée pour alimenter l'appareil à tester. Après un temps connu, vous déconnectez le condensateur du Dut et mesurez leur tension résiduelle. Avec ce delta et avec une formule fournie par le même document, vous pouvez estimer la quantité de courant consommée par votre appareil sur une période de temps.

Le document indique également quels types de condensateurs utiliser et comment tenir compte du courant de fuite du condensateur.

Ci-dessous le document de 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

La solution professionnelle consiste à utiliser un multimètre de banc suffisamment bon.

J'ai rencontré des gens qui ont mesuré la consommation de courant moyenne (<10µA) dans le cadre de leur routine de développement de logiciels, en utilisant quelque chose comme un Keysight 34465A avec l'option 50000 mesures / s.

Une solution standard est un uCurrent de CMicrotek , qui vaut le prix. J'ai facilement mesuré des courants de 1uA. Avec une portée, je peux voir quand différentes fonctions de mon application sont en cours d'exécution. Vous pouvez le connecter à un oscilloscope ou à un voltmètre de paillasse.

Je développe des appareils IoT alimentés par batterie depuis plus de 10 ans et j'ai trouvé plusieurs méthodes pour le faire en fonction de ce que j'essaie d'accomplir. Si j'essaie simplement de trouver le faible courant de sommeil d'un système statique, j'aime garder ma configuration relativement simple et utiliser des éléments courants que vous pouvez trouver dans la plupart des laboratoires et utiliser des concepts électriques de base. En faisant référence à l'image ci-dessous, choisissez une valeur de résistance de détection (R1) qui donne environ quelques centaines de milivolts avec la consommation de courant attendue. Cela permettra à un multimètre numérique standard d'obtenir une mesure relativement précise tout en fournissant une tension adéquate au DUT, même à de faibles tensions d'alimentation. En utilisant la loi d'Ohm, vous pouvez calculer le courant: I = V / R. En utilisant la valeur actuelle attendue du poste d'origine de 6,2 uA, une valeur de résistance de détection de 20k-30k (0,1 à 1%) serait suffisante.

Dans le cas où le DUT doit être initialisé à un état de faible puissance, un cavalier de court-circuit pourrait être placé à travers la résistance de détection R1 jusqu'à ce que l'état de faible puissance soit maintenu. Cela permettrait au DUT de consommer autant de courant que nécessaire sans provoquer une chute de tension excessive. Une fois que le DUT atteint l'état de faible puissance attendu, le cavalier de court-circuit peut être retiré et la mesure du courant de repos peut être prise.

Bien que la méthode ci-dessus fonctionne bien dans des conditions statiques, elle ne fonctionnera pas dans des conditions dynamiques, en particulier avec les courants de pointe généralement observés dans les appareils alimentés par batterie en raison de la haute impédance que présente la méthode de mesure. Pour ces conditions de fonctionnement plus réelles, comme vous le décrivez dans votre mise à jour, vous aurez besoin d'un appareil qui mesure et enregistre avec précision le courant sur une très large plage dynamique, peut-être jusqu'à 100 000: 1 (100 mA jusqu'à 1 uA), faites-le avec suffisamment vitesse pour capturer les transitions rapides d'activation et de désactivation, et intégrer en continu les résultats.

C'était quelque chose qui prenait toujours beaucoup de temps et d'efforts à mes débuts. À tel point que j'ai décidé de créer un appareil spécialement conçu pour gérer cela pour moi. Consultez le lien ci-dessous:

Meilleur estimateur d'énergie de la batterie d'ingénierie embarquée 300