Möglichkeiten zur Strommessung in Picoampere

Ich muss den geringen Stromverbrauch eines Mikrocontrollers im Bereich von Picoampere überprüfen . Ich habe nur ein Multimeter, das Milliampere messen kann und als solches 0 anzeigt.

Gibt es eine einfache und präzise Möglichkeit, Picoampere zu messen?

Versorgen Sie den Mikrocontroller mit einem Kondensator, der auf eine bekannte Spannung aufgeladen ist. Warten Sie eine angemessene Zeit und messen Sie dann die Spannung. Berechnen Sie den Strom aus Delta-V und C. (Messen Sie die Spannung nicht kontinuierlich, es sei denn, Sie haben ein Messgerät mit einer ausreichend hohen Impedanz, da dies möglicherweise zusätzlichen Strom verbraucht.) Sie benötigen einen Kondensator mit bekannter Kapazität. Zur Not können Sie einen Kondensator auf die gleiche Weise messen, indem Sie ihn über einen bekannten Widerstand entladen.

Wie aus den Kommentaren hervorgeht, können andere Strompfade zur Entladung des Kondensators beitragen (einschließlich Selbstentladung). Sie können die Messung bei entferntem UC wiederholen und sehen, welchen Wert dies ergibt. Dann könnten Sie darüber nachdenken, ob Sie solche „anderen“ Ströme in Ihrem Design realistisch vermeiden können.

Und vergessen Sie nicht, dass sich Ihre Batterien selbst entladen und / oder altern!

Wenn Sie den Ausschaltmodus des Chips in Aktion "sehen" möchten, können Sie den Kondensator verwenden und eine einfache Schaltung erstellen, die ihn regelmäßig mit der Stromversorgung verbindet (wenn möglich synchron mit dem Aktivitätszyklus des uC synchronisiert, muss eine echte vorhanden sein niedriger Leckstrom!) und beobachten Sie die Spannung des C an einem Oszilloskop (die Oszilloskopimpedanz muss höher sein als die Stromaufnahme des UC, oder Sie können sogar eine Wechselstromkopplung verwenden, wenn der Aktivitätszyklus des uC kurz genug ist). Auf diese Weise können Sie Überprüfen Sie sowohl die zeitliche Aufteilung bei hohem und niedrigem Stromverbrauch als auch die Ströme in beiden Modi.

Eine einfache Methode, die ich verwendet habe, besteht darin, einen Widerstand in Reihe mit der Leistung des Mikros zu schalten und ihn parallel zu einem Kondensator zu schalten. Die Leckage des Kondensators ist in diesem Fall nicht so wichtig.

Wenn Sie beispielsweise der Meinung sind, dass der Versorgungsstrom nicht mehr als 10 nA betragen sollte, können Sie einen Widerstand mit einem Wert von 10 M 1% parallel zu einem 1 uF-Keramikkondensator verwenden. Das ergibt 100,0 mV für 10 nA (die Belastung des Amperemeter beträgt also 0,1 V, was die Schaltung nicht übermäßig beeinträchtigen sollte. Erhöhen Sie die Eingangsspannung ein wenig, um den Abfall zu kompensieren, wenn Sie dies stört.)

Überprüfen Sie dann die Spannung am 10M-Widerstand mit einem Voltmeter mit hoher Eingangsimpedanz, z. B. dem Agilent 34401 im Eingangswiderstandsmodus> 10G. Der Vorspannungsstrom des Messgeräts beeinflusst den Messwert, beträgt jedoch bei Raumtemperatur weniger als 30 pA (0,3%).

Die 10M / 1uF-Kombination filtert Spitzen heraus, es sei denn, sie treten mit sehr niedriger Frequenz auf (wenn Ihr Prozessor beispielsweise alle 10 Sekunden einmal aufwacht und für 100 usec 0,5 mA zieht, funktioniert dies nicht sehr gut).

Die Leistung oder der Stromverbrauch eines Mikrocontrollers kann je nach µC-Zustand sehr unregelmäßig sein. Zum Beispiel: 1pA für 999 ms und dann 1uA für 1 ms. Im Durchschnitt wären das 1,001 nA. Wenn Ihr Multimeter alle 100 ms eine Messung durchführen würde, würde es niemals die 1,001 nA messen! In diesem Fall müssen Sie einen Widerstand in Reihe mit der Versorgung und ein Oszilloskop verwenden, um die Spannung am Widerstand zu messen und den tatsächlichen Strom über die Zeit zu "sehen".

Die meisten Oszilloskope geben ihre Kanal-Eingangsimpedanz an. Es geht in der Regel um einen Gigaohm. Wenn Sie das Oszilloskop in den Erdungspfad des uC einlegen (die meisten Oszilloskope verbinden die Kanalmasse mit der Erdung, und Sie können möglicherweise keine Erdung am VDD des uC anbringen), messen Sie die Spannung an diesem Widerstand. und daher der Strom, der von der uC in Echtzeit verwendet wird. Das sollte Ihnen ziemlich genaue Messungen geben (1 mV => 1 pA).

Schauen wir uns die Frage an, ob sich die Batterie "interessiert" - dh würde eine Last im pA-Bereich die Batterielebensdauer erheblich beeinflussen?

Spoiler: Nein. Selbst Messungen mit einer Auflösung von 1 nA sind "präziser" als in der Praxis erforderlich.

Die allerbesten primären (nicht wiederaufladbaren) Lithiumbatterien haben eine Nutzungsdauer von etwa 20 Jahren (mit einem Kapazitätsverlust von 30% - 70%), ohne dass die Temperaturen usw. vernünftig berücksichtigt werden. Typische Beispiele sind

20 Jahre sind ungefähr 175.000 Stunden, also entspricht ein Verlust von 10 mAh über diese Zeit einem Strom von 10 / 175.000 mA oder 10.000.000 / 175.000 = 57 = 57.000 pA. Daher ist die Messung von pA für jede Batteriegröße, die verwendet werden kann, völlig unnötig.

Zum Beispiel würde eine 50-mAh-Batterie mit etwa 50% Haltbarkeitsverlust nach 20 Jahren (ein guter Trick, wenn Sie dies tun können) 25 mAh für die Last oder einen mittleren Strom von 142.500 pA = 142,5 nA = 0,1425 uA zulassen. Die Messung des mittleren Laststroms auf den nächsten nA-Wert ergibt eine Genauigkeit von etwa 1%. Dies ermöglicht eine weitaus genauere Schätzung der Batterielebensdauer als in der Realität. Praktische Variationen werden solche Versuche überfluten.