¿Cómo medir el consumo de energía en dispositivos de potencia extremadamente baja?

Una solución es usar un amplificador de instrumentación para medir la caída de voltaje a través de una resistencia de derivación. Estos están diseñados para ofrecer una impedancia de entrada extremadamente alta a ambas entradas del amplificador (superior a 1 giga-ohm), al tiempo que le permiten amplificar esta señal en factores relativamente grandes (1000x no es poco común). Tenga en cuenta que el hecho de que haya una impedancia de entrada realmente alta no es demasiado importante para esta aplicación en particular, sin embargo, el alto factor de amplificación sí lo es.

El esquema básico se ve así (estoy usando IAun paquete autónomo para un amplificador de instrumentación; a menudo, estos tienen una resistencia de ganancia externa para que pueda elegir la ganancia que desee):

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

El gran factor de amplificación le permite usar una resistencia de detección relativamente pequeña, mitigando una gran parte del efecto del voltaje de carga en su DUT.

Si solo está buscando comprar una solución lista para usar que haga esto de manera efectiva, podría buscar algo como uCurrent . Probablemente también haya IC específicos diseñados para este rango actual.

Dado que las salidas de este tipo de sensores de corriente son solo un voltaje analógico relativamente aislado, puede usar cualquier osciloscopio estándar o medidor de voltaje para medir la corriente.

Estos dispositivos muy simples son lo suficientemente buenos para cosas en los rangos de nano y micro amperios y son relativamente fáciles de usar.

Para corrientes aún más pequeñas (rango de pico o femptoamperio), hay chips especialmente diseñados como el LMP7721 , junto con algunas páginas de notas de aplicación sobre diseño de baja corriente. Es poco probable que desee algo como esto para medir el consumo de corriente. La comunidad científica suele utilizarlos para medir las salidas de los sensores (fotodiodos/otros sensores de corriente muy baja).

El AN1416 de Microchip: Guía de diseño de bajo consumo, en la página 6, especifica una solución muy interesante y sencilla para medir el consumo estático de corriente muy baja, utilizando lo que denomina 'el método del condensador'.

Una carga conocida se coloca en un capacitor conocido. Esta carga luego se usa para suministrar energía al dispositivo bajo prueba. Después de un tiempo conocido, desconecta el capacitor del DUT y mide su voltaje residual. Con este delta y con una fórmula proporcionada por el mismo documento, puede estimar cuánta corriente consume su dispositivo durante un período de tiempo.

El documento también señala qué tipos de capacitores usar y cómo contabilizar la corriente de fuga del capacitor.

El documento Guía de diseño de bajo consumo de Microchip tiene más explicaciones.

La solución profesional es utilizar un multímetro de banco suficientemente bueno.

Conocí personas que midieron el consumo de corriente promedio (< 10 µA) como parte de su rutina de desarrollo de software, usando algo como Keysight 34465A con la opción de 50000 mediciones/s.

Una solución lista para usar es uCurrent de CMicrotek , vale la pena el precio. Medí fácilmente corrientes de 1uA. Con un alcance, puedo ver cuándo se están ejecutando diferentes funciones de mi aplicación. Puede conectarlo a un osciloscopio o a un voltímetro de sobremesa.

Llevo más de 10 años desarrollando dispositivos IoT alimentados por batería y he encontrado varios métodos para hacerlo según lo que estoy tratando de lograr. Si simplemente trato de encontrar la corriente de reposo baja de un sistema estático, me gusta mantener mi configuración relativamente simple y usar elementos comunes que puede encontrar en la mayoría de los laboratorios y usar conceptos eléctricos básicos. Haciendo referencia a la imagen a continuación, elija un valor de resistencia de detección (R1) que proporcione aproximadamente unos pocos cientos de milivoltios con el consumo de corriente esperado. Esto permitirá que un DMM estándar obtenga una medición relativamente precisa y al mismo tiempo proporcione el voltaje adecuado al dispositivo bajo prueba, incluso con voltajes de suministro bajos. Usando la Ley de Ohms, puedes calcular la corriente: I = V/R. Usando el valor de corriente esperado de la publicación original de 6,2 uA, un valor de resistencia de detección de 20k-30k (0,1 a 1%) sería suficiente.

En caso de que el DUT deba inicializarse a un estado de bajo consumo, se podría colocar un puente de cortocircuito en la resistencia de detección R1 hasta que se mantenga el estado de bajo consumo. Esto permitiría que el DUT extraiga tanta corriente como necesite sin causar una caída de voltaje excesiva. Una vez que el dispositivo bajo prueba llega al estado de bajo consumo esperado, se puede quitar el puente de cortocircuito y se puede tomar la medida de corriente inactiva.

Si bien el método anterior funciona bien en condiciones estáticas, no funcionará en condiciones dinámicas, especialmente con los picos de corriente que normalmente se ven en los dispositivos alimentados por batería debido a la alta impedancia que presenta el método de medición. Para estas condiciones operativas más reales que describe en su actualización, necesitará un dispositivo que mida y registre con precisión la corriente en un rango dinámico muy amplio, posiblemente hasta 100 000:1 (100 mA hasta 1 uA), hágalo con suficiente velocidad para capturar las transiciones rápidas de encendido y apagado, e integrar continuamente los resultados.

Esto fue algo que siempre tomó una gran cantidad de tiempo y esfuerzo en mis primeros días. Tanto es así que decidí crear un dispositivo diseñado específicamente para manejar esto por mí. Revisa el enlace a continuación:

Estimador de energía de batería 300 de Better Embedded Engineering