Messen Sie den weiten Strombereich von 800 µA - 1,5 A.

Ich habe Schwierigkeiten, den Strom in einem IoT-Gerät zu messen, das ich herstelle. Ich muss in der Lage sein, Daten über den Stromverbrauch im Laufe der Zeit und über den Schlafmodusstrom zu sammeln. Ich habe versucht, einen Shunt-Widerstand zu verwenden, um die aktuellen Daten zu erfassen, aber ich stoße mit dem Kopf voran auf ein Problem mit Georg Ohm und all seinen Gesetzen.

Im Ruhemodus sollte mein Gerät etwa 800 µA Strom verbrauchen. Mein nicht so genaues Netzteil gibt an, dass es etwa 2 mA ausgibt. Vielleicht muss ich etwas mehr codieren. Im Schlafmodus schaltet sich das Modem jedoch in scheinbar zufälligen Intervallen für einen kurzen Moment wieder ein und sendet (Standardverhalten des Tiefschlafmodems). Dieser Sendeburst kann bis zu etwa 1,5 A betragen.

Wie auch immer, ich habe ein Problem mit der Verwendung eines Shunt-Widerstands, da ein Spannungsabfall, der es mir ermöglicht, aussagekräftige Daten zum Schlafstrom zu sehen, während eines Sendebursts so viel Spannung abfällt, dass mein Gerät neu startet.

Könnte jemand eine Möglichkeit empfehlen, den Strom in einem so großen Strombereich zu messen?

Gerätespezifikationen:

• Schlafmodusstrom: 600 µA - 3 mA
• Einschaltstrom: 27-80 mA
• Sendeburst: bis zu 1,5 A.
• Spannung: 2,6 V - 4,2 V.
• Ladestrom: 400 mA

Wie viel Genauigkeit benötigen Sie? Wenn Sie nur eine Schätzung benötigen, liefert eine Serien-Siliziumdiode eine mehr oder weniger logarithmische Anzeige über einen weiten Bereich von Strömen.

Das Hauptproblem bei einer Diode, die Änderung des Spannungsabfalls mit der Temperatur, kann erheblich gemindert werden, indem eine zweite Diode bei derselben Temperatur mit einem Referenzstrom betrieben wird. Zwei Dioden innerhalb einer Gleichrichterbrücke wären thermisch gekoppelt und ideal dafür, ich habe die Anschlüsse auf dem Schaltplan markiert, Brücke + ve bleibt unbenutzt. Da Ihre Last sehr stromsparend ist und die hohen Ströme nur kurze Impulse sind, sollten auch zwei zusammengeklebte Einzeldioden in Ordnung sein. Ein 1N540x ist beispielsweise gut für 3 A Dauerbetrieb und weist bei 100 µA immer noch einen signifikanten Vorwärtsabfall auf.

Es hat den Vorteil, dass sich die Lastspannung nur sehr wenig ändert, vielleicht einige hundert mV zwischen 500 µA und 1,5 A, viel weniger als bei einem Widerstands-Shunt, der mA misst.

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Das Ersetzen von R1 durch eine Stromsenke würde den Referenzstrom genauer machen, aber (Versorgungsspannung - 0,7 V) / R1 ist wahrscheinlich für die meisten Zwecke ausreichend. Im Idealfall liegt der Referenzstrom in der Mitte des Bereichs, den Sie am besten messen möchten. Irgendwo im Bereich von 1 bis 10 mA fühlt sich gut an.

Der Voltmeterwert ist proportional zum Logarithmus des Verhältnisses von Last zu Referenzstrom. Die Ausgangsimpedanz der Dioden ist sehr niedrig, so dass es einfach ist, die Differenz mit einem Operationsverstärker zu verstärken, um sie möglicherweise zu skalieren oder gegen Masse zu referenzieren.

Sie müssen die Messumwandlung bei hohen und niedrigen Strömen kalibrieren, um das Protokollgesetz festzulegen, und es wäre gut, sie an einigen Stellen dazwischen zu überprüfen. Denken Sie daran, dass durch Kalibrieren bei hohem Strom die Lastdiode erwärmt wird. Daher müssen Sie möglicherweise kurze Impulse verwenden, die so kurz sind wie Ihre Sendeimpulse, um thermische Driftfehler zu minimieren.

Eine Erweiterung der Antwort von Neil_UK besteht darin, eine Diode und einen Widerstand parallel zu schalten, wenn Sie eine angemessene Genauigkeit des Schlafstroms benötigen, sich aber nicht darum kümmern, hohen Strom mit derselben Schaltung zu messen:

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Auf diese Weise ist die Spannung am Widerstand bei niedrigem Strom gut proportional und so niedrig, dass die Diode effektiv ausgeschaltet ist, sodass nicht zu viel Strom vom Widerstand weggeleitet wird (obwohl dies überprüft wird) die Angaben auf Ihrer Diode).

Wenn der Strom hoch ist, leitet die Diode und begrenzt den Spannungsabfall auf einen vernünftigen Wert. Wenn Sie auch zu diesem Zeitpunkt den Strom messen möchten, können Sie einen weiteren Shunt in Reihe hinzufügen (Idee mit freundlicher Genehmigung von @dim):

^{simulieren Sie diese Schaltung}

Sie beschreiben dies als eine breite Palette. Das ist es wirklich nicht.

Ihr Maximum von 1,5 A ist das 1875-fache Ihres Minimums von 800 uA. Ein 16-Bit-ADC hat einen Bereich von 65535 Bit. Wenn Sie eine maximale Grenze von 5 A festlegen und zulassen, dass der Strom positiv oder negativ ist, erhalten Sie eine Auflösung von 153 uA pro Bit. Wenn sich der Strom nicht zu schnell ändert, können Sie Ihre Auflösung durch Überabtastung noch weiter verbessern. Beispielsweise würde eine 16-fache Überabtastung dies auf 38 uA pro Bit reduzieren. Es gibt also keine Probleme bei der Messung.

Ihr Problem ist einfach der Spannungsabfall am Shunt-Widerstand. Herr Ohm hat dort die Antwort - machen Sie Ihren Shunt-Widerstand kleiner! Sie können leicht einen 0,1 Ohm Widerstand und sogar 0,01 Ohm kaufen. (Google "0R1" oder "0R01", die Standardmethoden zur Bezeichnung von Bruchteilen eines Ohms.)

Das Problem danach ist, wie die Spannung über dem Shunt gemessen wird. Sie benötigen einen Differenzverstärker mit einer sehr hohen Eingangsimpedanz, damit Sie die Spannung messen können, ohne sie zu beeinflussen. Sie möchten dann etwas Verstärkung hinzufügen, damit Sie den ADC mit einer geeigneten Spannung betreiben können.

Niedrige Spannungen bedeuten mehr Rauschprobleme. Achten Sie daher auf das Track-Routing und alle anderen Best-Practice-Layouts. Sie müssen auch auf stabile Netzteile und Referenzen achten. Schaltregler sind hier nicht dein Freund. Selbst ein Linearregler nach einem Schaltmodus verfügt nicht unbedingt über genügend PSRR, um die Welligkeit richtig abzutöten.

Die Verstärkungsstufen weisen zwangsläufig einen Gleichstromversatz auf. Sie müssen einen Selbstkalibrierungsschritt einschließen, in dem Sie den ADC-Messwert ohne Strom messen und diesen Nullwert dann subtrahieren, wenn Sie tatsächlich Strommessungen durchführen. Sie können dies beim Start automatisch tun (viele Zähler "ticken" beim Start und weil sie zwischen integrierten Referenzen wechseln, um diese automatische Kalibrierung durchzuführen), oder Sie können dies einmal tun und dann die Ergebnisse in NVM speichern.

Denken Sie daran, dass dies die kurze Antwort ist! Ich hoffe, dies gibt Ihnen einige Hinweise, wie Sie das Problem angehen können.

Ich weiß, dass es eine alte Frage ist, aber die Informationen könnten immer noch nützlich sein.

Vielleicht möchten Sie einige der Designkonzepte des uCurrent ausprobieren von Dave Jones bei EEVBlog ausprobieren. Es verfügt zwar nicht über eine automatische Entfernungsmessung, deckt jedoch die Messungen der unteren Ebene ab. Außerdem reduzieren einige der Mods die Anzahl der Bereiche, bleiben aber dennoch ziemlich genau.

Zumindest würde ich die Messungen in Bereiche unter 1A (tatsächlich unter 400 mA) und über 1A (auch bekannt als 1,5 A während des Sendens) aufteilen.

Ohne weitere Informationen (von denen ich zugebe, dass sie bei der Entfernung der ursprünglichen Frage möglicherweise nicht möglich sind) ist es schwierig, Einzelheiten anzugeben, aber ich werde sehen, was ich tun kann.

Wenn Sie kein monolithisches mcu / transceiver-Gerät (nrf5x, STBlue usw.) verwenden, würde ich den Funkversorgungspfad genauso behandeln wie digitale Strompfade, um eine Beeinträchtigung Ihres analogen Stroms zu vermeiden. Wenn Sie ein monolithisches Hochleistungsgerät verwenden, besteht die einzige echte Lösung darin, einen sehr kleinen Messwiderstand in Kombination mit einem Stromerfassungsverstärker / -modul mit einem sehr großen Eingangseingangsbereich zu verwenden. Ich weiß, dass ADI ein paar hat (tatsächlich habe ich mir gestern nur Stromverstärker / -module angesehen), die möglicherweise funktionieren. Und wenn ich raten müsste, hat TI auch Geräte, die funktionieren würden.

Eine weitere Informationsquelle wäre der Blog von Jean-Claude Wippler bei JEELabs . Im Laufe der Jahre (es sieht nach ungefähr 10+ aus) hat er mehr als ein Experiment an Bord der Stromaufnahme durchgeführt, um eine längere Akkulaufzeit zu erreichen. Während es möglicherweise nicht direkt auf den Punkt kommt, kann es dem OP Ideen geben, in welche Richtung es gehen soll. Dies ist der neueste Artikel, den ich zu diesem Thema sehe. Um die lange Liste und Geschichte seiner Arbeit zu sehen, habe ich die einfache Google-Suche von verwendet

site:jeelabs.org current measurement

Ich habe gerade den CurrentRanger entdeckt , der das uCurrent-Konzept (Strommessungen mit geringer Belastung) auf ein ganz neues Niveau hebt. Auto Ranging, serielle Ausgabe und ein optionales OLED-Display sind nur einige der neuen Funktionen. Das Schema und die Firmware sind verfügbar und Felix geht ziemlich detailliert auf das Design ein.

Bearbeiten: Besseres Detail meiner Gedanken durch Verknüpfen dieser Seiten.

Zweite Bearbeitung: Fügen Sie den CurrentRanger hinzu. Eine der Beschwerden in den Kommentaren war, dass der uCurrent nicht automatisch erfasst wurde.

Ich hatte das Problem mit dem Dynamikbereich beim Testen von Spannungsabfällen im Schaltmodus für Kraftfahrzeuge. Für erwartete Eingangsströme von bis zu 5 Ampere habe ich einen 100-Milliohm-Shunt verwendet.

Beim Testen, ob der von 24 V entnommene Leerlaufstrom weniger als 7 mA betrug, verwendete ich einen 10 Ω-Shunt mit einer 10 A-Schottky-Diode darüber. Die Shunt-Kombination blieb in meiner Testvorrichtung. Ich habe meinen DVM mit einem DPDT- Schiebeschalter zwischen den beiden Shunts umgeschaltet .

Dies war im Jahr 1995 und die Zahlen waren nicht groß. Heutzutage können Sie elektronisch umschalten, um die Shunt-Spannungen zu überwachen. Bei Bedarf können Sie mehr als zwei in Reihe geschaltete Shunts verwenden. Der Schlüssel dazu besteht darin, den hochohmigen Niedrigstrom-Shunt mit einer Diode zu umgehen.

Ein Trick, den ich in der Vergangenheit verwendet habe, besteht darin, den Erfassungswiderstand in die Rückkopplungsschleife eines Operationsverstärkers zu stecken. Dadurch kann die Versorgungsspannung des zu testenden Geräts ziemlich konstant gehalten werden, während am Shunt-Widerstand eine höhere Spannung entwickelt werden kann.

In meinem Fall habe ich dies mit mehreren parallel laufenden Instrumentenverstärkern und ADCs kombiniert, um einen größeren Dynamikbereich zu erhalten.

Ich beschreibe das System, das ich in Kapitel 5 meiner Doktorarbeit aufgebaut habe . Mein System ist nicht direkt auf Ihre Anwendung anwendbar, kann jedoch einige Ideen zu den Herausforderungen geben, denen sich ein solches System stellen muss.

Einige Zeit nachdem ich mein DIY-System entwickelt hatte, stellte ich fest, dass Agilent (jetzt Keysight) ein ähnliches System entwickelt hatte . Nicht billig.

Alternativ können Sie einen kleinen Shunt verwenden, der in den Bereich von 1,5 A passt und zwei separate Verstärkungsschaltungen hat, die zwei verschiedenen ADCs zugeführt werden. Mit der Software können Sie dann anhand der Messwerte auswählen, welche Sie verwenden möchten. Bei höherem Strom ist der ADC mit höherer Verstärkung gesättigt, und Sie wissen, dass Sie den anderen verwenden müssen.

Das Problem besteht in der Signalintegrität mit EMI-Reduzierung.

1,5 A / 0,75 mA bedeutet ein SNR von 66 dB und eine Genauigkeit des ADC.

Hintergrundrauschen muss abgeschirmt, unterdrückt, mit ausgezeichnetem CMRR gefiltert und gemittelt werden, um dies mit einem guten 16-Bit-ADC zu erreichen.

Wenn Sie diese Auflösung nicht haben, können Sie zwei verschiedene Eingänge mit einem um 40 dB höheren Gewinn haben. Die Nebenschlussleistung und die zulässige Lastregelungsfehlerspannung begrenzen den Nebenschlusswiderstand und es werden typischerweise maximal 75 mV gewählt. Ein IC-Stromsensor mit Verstärkung kann ein Moro-Emend sein.

Wie dies erreicht werden kann, erfordert Erfahrung. Mit einer Auflösung von <-90 dB und einem Entwurfsziel von 80 dB SNR können Sie hoffentlich ein SNR von 70 dB erreichen.