Formas de medir la corriente en picoamperios

Necesito verificar el bajo consumo de energía de un microcontrolador en el rango de picoamperios . Solo tengo un multímetro capaz de medir miliamperios y, como tal, muestra 0.

¿Existe una manera fácil y precisa de medir picoamperios?

Alimente el microcontrolador con un condensador, cargado a un voltaje conocido. Espere una cantidad de tiempo apropiada, luego mida el voltaje. Calcule la corriente del delta-V y la C. (No mida el voltaje continuamente, a menos que tenga un medidor con una impedancia lo suficientemente alta, ya que eso podría generar una corriente adicional). Necesitará un condensador con capacidad conocida, pero en caso de necesidad, podría medir un capcitor de la misma manera descargándolo a través de una resistencia conocida.

Como señalan los comentarios, otras rutas de corriente podrían contribuir a la descarga del condensador (incluida la autodescarga). Puede repetir la medición con la UC eliminada y ver qué valor da. Entonces podría pensar si puede evitar de manera realista tales 'otras' corrientes en su diseño.

¡Y no olvides que tus baterías se descargan y / o envejecen!

Si su objetivo es 'ver' también el modo de apagado del chip en acción, podría usar el condensador, construir un circuito simple que lo conecte periódicamente a la fuente de alimentación (si es posible, sincronizado con el ciclo de actividad de la unidad de control, debe tener ¡corriente de fuga baja!), y observe el voltaje de la C en un osciloscopio (la impedancia del osciloscopio debe ser mayor que el consumo de corriente de la UC, o incluso puede usar el acoplamiento de CA si el ciclo de actividad de la uC es lo suficientemente corto). De esta manera puede Verifique tanto la división en el tiempo en el consumo de corriente alto y bajo, como las corrientes en ambos modos.

Un método simple que he usado es poner una resistencia en serie con la potencia del micro y ponerla en paralelo con un condensador. La fuga del condensador no es tan importante en este caso.

Por ejemplo, si cree que la corriente de suministro no debe ser superior a 10nA, puede usar una resistencia de valor 10M 1% en paralelo con un condensador cerámico de 1uF. Eso le dará 100.0mV para 10nA (por lo que la carga del amperímetro es 0.1V, lo que no debería afectar demasiado al circuito: aumente un poco el voltaje de entrada para compensar la caída si le molesta).

Luego observe el voltaje a través de la resistencia de 10M utilizando un voltímetro con alta impedancia de entrada, como el Agilent 34401 en modo de resistencia de entrada> 10G. La corriente de polarización del medidor influirá en la lectura, pero es inferior a 30 pA (0.3%) a temperatura ambiente.

La combinación de 10M / 1uF filtra los picos a menos que sucedan a una frecuencia muy baja (si, por ejemplo, su procesador se activa una vez cada 10 segundos y consume 0.5mA por 100usec, no funcionará muy bien).

El consumo de energía o corriente de un microcontrolador puede ser muy irregular dependiendo del estado de µC. Por ejemplo: 1pA por 999 ms y luego 1uA por 1 ms. En promedio eso sería 1.001 nA. Si su multímetro hiciera una medición cada 100 ms, ¡nunca mediría 1.001 nA! En este caso, debe usar una resistencia en serie con el suministro y un osciloscopio para medir el voltaje a través de la resistencia para "ver" la corriente real en el tiempo.

La mayoría de los osciloscopios especifican la impedancia de entrada de su canal. Tiende a tratarse de un Gigaohm. Si coloca el osciloscopio en la ruta de tierra del uC (la mayoría de los ámbitos conectan la tierra del canal a tierra, y es posible que no pueda colocar una tierra en el VDD de la uC), medirá el voltaje a través de esta resistencia, y, por lo tanto, la corriente utilizada por la uC, en tiempo real. Eso debería proporcionarle mediciones bastante precisas (1mV => 1pA).

Veamos el problema de si la batería "se preocupa", es decir, ¿una carga en el rango de pA afectaría significativamente la vida útil de la batería?

Spoiler: No. Incluso las mediciones capaces de una resolución de 1 nA son más "precisas" que las necesarias en la práctica.

Las mejores baterías de litio primarias (no recargables) tienen una vida útil de alrededor de 20 años (con una pérdida de capacidad del 30% al 70%) sin una atención más que sensata a las temperaturas, etc.

20 años son aproximadamente 175,000 horas, entonces 10 mAh de pérdida durante ese tiempo es equivalente a una corriente de 10 / 175,000 mA o 10,000,000 / 175,000 = 57 = 57,000 pA. Por lo tanto, la medición de pA es completamente innecesaria para cualquier tamaño de batería que pueda usarse.

Por ejemplo, una batería de 50 mAh con un 50% de pérdida de vida útil después de 20 años (un buen truco si puede hacerlo) permitiría 25 mAh para la carga o una corriente media de 142,500 pA = 142.5 nA = 0.1425 uA. La medición al nA más cercano de la corriente de carga media le proporciona una precisión de alrededor del 1%, lo que permitirá una estimación mucho más precisa de la vida útil de la batería de la que encontrará en la realidad. Las variaciones prácticas inundarán tales intentos.