如何测量极低功耗设备的功耗?

电器工程 微控制器 电流测量 低电量 能量消耗
2022-01-18 09:24:30

这可能是五年或两年后的旧闻,但以今天的方式,我指的是电子原型和设计,它们会吸收 μA (uA) 甚至 nA 范围的电流。

一些最近的 MCU,例如我使用 atm 的 SAMD21,配备了内部时钟,例如,始终开启、超低功耗内部 32kHz RC 振荡器,仅消耗 125nA,整个微控制器在待机模式下仅消耗 6.2μA带有实时 RTC。

在这些类型的静态电流和功耗水平中,万用表和示波器等台式测量设备的内部机械的最小限制可能会给整体测量增加相当多的误差,甚至在不同的情况下测量一个完全错误的值将万用表的分辨率从小数点后 6 位精度更改为 8 位精度时,继电器会启动。

测量此类应用的总静态电流/功耗的最精确方法是什么?


更新:

正如我在其中一个回复中提到的,测量低电流很困难,但很有可能,但是,就电流消耗的积分量得出结论以得出所有功耗的实际数字更符合我的想法。

我遇到了一些解决方案,例如宽范围电流到频率转换器,但是本应用笔记中的宽范围仅限于最大 200uA,在我的情况下,当我的收音机正在传输时,我的最大电流可以上升到毫安并且可以当整个系统进入睡眠状态时,电流降至 3uA。

4个回答

一种解决方案是使用仪表放大器来测量分流电阻器上的电压降。这些设计旨在为放大器的两个输入端提供极高的输入阻抗(超过 1 千兆欧姆),同时允许您以相对较大的倍数放大此信号(1000 倍并不少见)。请注意,对于这个特定的应用来说,有一个非常高的输入阻抗这一事实并不是非常重要,但是高放大系数才是。

基本原理图如下所示(我使用IA的是仪表放大器的独立封装;通常,这些具有外部增益电阻器,因此您可以选择所需的任何增益):

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

较大的放大系数允许您使用相对较小的检测电阻,从而减轻负载电压对 DUT 的大部分影响。

如果您只是想购买一个现成的解决方案,可以有效地做到这一点,您可以研究类似uCurrent的东西。可能还有针对此电流范围设计的特定 IC。

由于这类电流传感器的输出只是一个相对隔离的模拟电压,因此您可以使用任何标准示波器或电压表来测量电流。

这些非常简单的设备对于纳安和微安范围内的东西来说已经足够好了,而且相对容易使用。

对于更小的电流(微微或毫安范围),有专门设计的芯片,如LMP7721,以及几页关于低电流设计的应用笔记。您不太可能需要这样的东西来测量电流消耗。这些通常被科学界用于测量传感器输出(光电二极管/其他极低电流传感器)。

Microchip AN1416:低功耗设计指南,第 6 页指定了一种非常有趣且简单的解决方案,可以使用所谓的“电容器法”来测量极低的静态电流消耗。

在已知电容器上设置已知电荷。然后使用该电荷为被测设备供电。在已知时间后,将电容器与 DUT 断开并测量其残余电压。使用此增量和同一文档提供的公式,您可以估算设备在一段时间内消耗的电流量。

该文件还指出了使用哪种类型的电容器以及如何计算电容器的泄漏电流。

Microchip的文档低功耗设计指南有进一步的解释。

专业的解决方案是使用足够好的台式万用表。

我遇到过一些人,他们在软件开发例程中使用Keysight 34465A和 50000 次测量/秒选项测量平均电流消耗 (< 10µA)。

一个现成的解决方案是CMicrotek 的 uCurrent,物有所值。我轻松测量了 1uA 电流。通过范围,我可以看到我的应用程序的不同功能何时运行。您可以将其连接到示波器或台式电压表。