Способы измерения тока в пикоампере

11

Мне нужно проверить низкое энергопотребление микроконтроллера в диапазоне пикоампер . У меня есть только мультиметр, способный измерять миллиамперы, и поэтому он показывает 0.

Есть ли простой и точный способ измерения пикоампер?

Теди
источник
1
Если это будет легко, ваш мультиметр, вероятно, будет иметь возможность сделать это. И мне трудно понять, почему picoAmps будет иметь значение для микроконтроллера, может быть, наноампер в спящем режиме, но pico, мы действительно уже так далеко?
Арсенал
2
Вы могли бы, вероятно, проверить eevblog.com/projects/ucurrent, но это кажется в значительной степени пустой тратой времени на столь низкий уровень для микроконтроллера. Почему вы действительно хотите его измерить, конечно же, вам нужен средний ток за более длительный период времени, когда он что-то делал?
PeterJ
4
Что за батарея? Ток саморазряда даст вам хороший совет о том, насколько большим должен быть измеряемый ток. Стандартный CR2032 имеет ток утечки ~ 0,2 мкА, поэтому, исходя из этого, переход на picoAmps просто не стоит проблем.
Арсенал
1
Боб Пиз (Bob Pease) об измерении фемтотока (и о специальных мерах предосторожности, необходимых для предотвращения его утечки) electronicdesign.com/test-amp-measurement/…
pjc50
1
Именно то, что доктор прописал: hackaday.com/2015/08/26/data-logging-in-the-picoampere-range со ссылкой на sigzig.com/blog/2015/8/18/…
Рассел МакМахон

Ответы:

23

Питание микроконтроллера осуществляется с помощью конденсатора, заряженного до известного напряжения. Подождите соответствующее количество времени, затем измерьте напряжение. Рассчитайте ток от дельта-V и C. (Не измеряйте напряжение постоянно, если у вас нет измерителя с достаточно высоким импедансом, потому что это может потреблять дополнительный ток.) ​​Вам понадобится конденсатор с известной емкостью, но в крайнем случае вы можете измерить конденсатор таким же образом, разряжая его через известный резистор.

Как отмечается в комментариях, другие пути тока могут способствовать разрядке конденсатора (включая саморазряд). Вы можете повторить измерение со снятым UC и посмотреть, какое значение это дает. Тогда вы можете подумать, сможете ли вы реально избежать таких «других» течений в вашем дизайне.

И не забывайте, что ваши батареи разряжаются и / или стареют!

Если вы стремитесь слишком «увидеть» режим выключения микросхемы в действии, вы можете использовать конденсатор, построить простую схему, которая периодически подключает его к источнику питания (если это возможно, синхронизировано с циклом активности ОК, должно быть действительно малый ток утечки!) и наблюдайте за напряжением С в прицеле (импеданс прицела должен быть выше, чем потребление тока UC, или вы можете даже использовать переменный ток, если цикл активности uC достаточно короткий). Таким образом, вы можете проверьте как временное деление при высоком и низком потреблении тока, так и токи в обоих режимах.

Воутер ван Оойен
источник
2
Ток утечки конденсатора может быть проблемой с этим методом и целевой областью тока. Размер конденсатора также должен быть выбран таким образом, чтобы напряжение не падало слишком сильно.
Арсенал
3
@ Арсенал: ток 1 нА разряжает конденсатор 10 нФ с напряжением 0,1 В в секунду. Существует много технологий конденсаторов с малой утечкой, доступных в этом диапазоне емкости. Но измерение токов в этом диапазоне всегда является проблемой, потому что вы должны обращать внимание на ВСЕ возможные пути утечки - загрязнение поверхности является распространенной проблемой.
Дэйв Твид,
2
Вы также можете провести еще несколько тестов только с конденсатором (для тестирования саморазряда) или с постоянно подключенным счетчиком (чтобы посмотреть, как влияет разрядник + конденсатор) и сравнить все сценарии, чтобы выяснить, сколько каждый Конкретная потеря
user2813274
8

Один простой метод, который я использовал, - это подключить резистор последовательно с питанием к микро и параллельно с конденсатором. В этом случае утечка конденсатора не так важна.

Например, если вы считаете, что ток питания должен быть не более 10 нА, вы можете использовать резистор величиной 10 М 1% параллельно с керамическим конденсатором 1 мкФ. Это даст вам 100,0 мВ для 10 нА (таким образом, нагрузка амперметра составляет 0,1 В, что не должно чрезмерно влиять на цепь - немного увеличьте входное напряжение, чтобы компенсировать падение, если оно вас беспокоит).

Затем посмотрите на напряжение на резисторе 10М с помощью вольтметра с высоким входным сопротивлением, такого как Agilent 34401 в режиме входного сопротивления> 10G. Ток смещения измерителя будет влиять на показания, но он составляет менее 30 пА (0,3%) при комнатной температуре.

Комбинация 10M / 1uF отфильтровывает пики, если они не происходят на очень низкой частоте (если, например, ваш процессор просыпается один раз каждые 10 секунд и потребляет 0,5 мА в течение 100 мкс, это не будет работать очень хорошо).

Спехро Пефхани
источник
3

Потребляемая мощность или ток микроконтроллера могут быть очень нерегулярными в зависимости от состояния микроконтроллера. Например: 1 пА на 999 мс, а затем 1 мкА на 1 мс. В среднем это будет 1.001 нА. Если ваш мультиметр будет измерять каждые 100 мс, он никогда не измерит 1.001 нА! В этом случае вам необходимо использовать резистор, включенный последовательно с источником питания, и осциллограф, чтобы измерить напряжение на резисторе, чтобы «увидеть» фактический ток с течением времени.

Bimpelrekkie
источник
Можете ли вы указать мне на такой резистор?
Теди
2
Если ОП интересует только срок службы батареи, динамические характеристики нагрузки не имеют большого значения; все, что ему действительно нужно, это интеграл от тока (заряда), который измеряет метод на основе конденсаторов.
Дэйв Твид
@DaveTweed На самом деле для срока службы батареи динамические характеристики могут быть весьма важны, поскольку химические составы не всегда так хорошо реагируют на внезапные изменения, но я чувствую, что реальный вопрос будет звучать так: «Как мне оценить срок службы батареи?» поэтому я остановлюсь.
Арсенал
Я также хочу убедиться, что команда sleep в uC выполняет свою работу.
Теди
2

Большинство осциллографов определяют входное сопротивление канала. Это, как правило, около гигаома. Если вы поместите прицел на путь заземления в УК (большинство областей соединяет заземление канала с землей, и вы не сможете установить заземление на VDD УК), вы будете измерять напряжение на этом резисторе, и, следовательно, ток, используемый ОК в режиме реального времени. Это должно дать вам довольно точные измерения (1 мВ => 1 пА).

Дейв
источник
1

Давайте рассмотрим вопрос о том, «заботится» ли батарея, то есть сильно ли повлияет нагрузка в диапазоне pA?

Спойлер: Нет. Даже измерения с разрешением 1 нА более «точны», чем необходимо на практике.

Самые лучшие первичные (не перезаряжаемые) литиевые батареи имеют срок полезного использования около 20 лет (с потерей емкости от 30% до 70%), без особого внимания к температуре и т. Д. Типичные примеры:

20 лет - это около 175 000 часов, поэтому потеря 10 мАч за это время эквивалентна току 10/175 000 мА или 10 000 000/175 000 = 57 = 57 000 пА. Таким образом, измерение pA совершенно не нужно для батареи любого размера, которую можно использовать.

Например, батарея емкостью 50 мАч с, скажем, 50% -ным потерянным сроком годности после 20 лет (хороший прием, если вы можете это сделать) позволила бы использовать 25 мАч для нагрузки или средний ток 142 500 пА = 142,5 нА = 0,1425 мкА. Измерение с точностью до ближайшего нА среднего тока нагрузки дает точность около 1%, что позволит значительно более точно оценить срок службы батареи, чем вы увидите в реальности. Практические вариации затопят такие попытки.

Рассел МакМахон
источник