Mida el amplio rango de corriente 800 µA - 1.5 A

Tengo dificultades para medir la corriente en un dispositivo IoT que estoy haciendo. Necesito poder recopilar datos sobre el consumo de energía a lo largo del tiempo y sobre la corriente del modo de suspensión. Estaba tratando de usar una resistencia de derivación para recopilar los datos actuales, pero me estoy enfrentando a un problema con Georg Ohm y todas sus leyes.

En el modo de suspensión, mi dispositivo debería usar aproximadamente 800 µA de corriente, mi fuente de alimentación no tan precisa dice que está produciendo alrededor de 2 mA, por lo que tal vez tenga un poco más de codificación que hacer. Sin embargo, durante el modo de reposo, a intervalos aparentemente aleatorios, el módem se volverá a encender durante un breve momento y transmitirá (comportamiento estándar del módem de reposo profundo). Esta ráfaga de transmisión puede ser de hasta aproximadamente 1,5 A.

De todos modos, tengo un problema al usar una resistencia de derivación porque una caída de voltaje que me permite ver datos significativos sobre la corriente de reposo, baja tanto voltaje durante una ráfaga de transmisión que mi dispositivo se reinicia.

¿Alguien podría recomendar una forma de medir la corriente en un rango de corriente tan grande?

Especificaciones del dispositivo:

• Corriente del modo de reposo: 600 µA - 3 mA
• En corriente: 27-80 mA
• Explosión de transmisión: hasta 1.5 A
• Voltaje: 2.6 V - 4.2 V
• Corriente de carga: 400 mA

¿Cuánta precisión necesitas? Si solo necesita una estimación, un diodo de silicio en serie le dará una indicación más o menos logarítmica en un amplio rango de corrientes.

El principal problema con un diodo, la variación en la caída de voltaje con la temperatura, puede mitigarse significativamente ejecutando un segundo diodo a la misma temperatura con una corriente de referencia. Dos diodos dentro de un puente rectificador estarían térmicamente acoplados e ideal para esto, he marcado las conexiones en el esquema, bridge + ve permanece sin usar. Como su carga es de muy baja potencia y las altas corrientes son solo pulsos cortos, incluso dos diodos individuales pegados entre sí deberían estar bien. Un 1N540x, por ejemplo, es bueno para 3 A continuos y todavía tendrá una caída significativa hacia adelante a 100 µA.

Tiene la ventaja de que el voltaje de carga cambia muy poco, quizás unos cientos de mV entre 500 µA y 1.5 A, mucho menos que con una derivación resistiva que medirá mA.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Reemplazar R1 con un sumidero de corriente haría que la corriente de referencia sea más precisa, pero (voltaje de la fuente de alimentación - 0.7 V) / R1 es probablemente adecuado para la mayoría de los propósitos. Idealmente, la corriente de referencia estaría en el medio del rango que desea medir mejor. En algún lugar en el rango de 1 a 10 mA se siente bien.

La lectura del voltímetro será proporcional al registro de la relación de carga a corriente de referencia. La impedancia de salida de los diodos es muy baja, por lo que amplificar la diferencia con un opamp, tal vez para escalarlo o hacer referencia a tierra, será sencillo.

Deberá calibrar la conversión de la medición a altas y bajas corrientes para establecer la ley de registro, y sería bueno verificarla en algunos puntos intermedios. Recuerde que calibrar a alta corriente calentará el diodo de carga, por lo que es posible que necesite usar pulsos cortos, tan cortos como sus pulsos de transmisión, para minimizar los errores de deriva térmica.

Una extensión de la respuesta de Neil_UK, si necesita una precisión decente en la corriente de reposo pero no le importa medir la corriente alta con el mismo circuito, es poner un diodo y una resistencia en paralelo:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

De esta manera, cuando la corriente es baja, el voltaje a través de la resistencia será muy proporcional, y será lo suficientemente bajo como para que el diodo esté efectivamente apagado, de modo que no desvíe demasiada corriente de la resistencia (aunque verifique las especificaciones de tu diodo).

Cuando la corriente es alta, el diodo conduce y limita la caída de voltaje a un valor razonable. Si también desea medir la corriente en este momento, puede agregar otra derivación en serie, así (idea cortesía de @dim):

^{simular este circuito}

Describes esto como una amplia gama. Realmente no lo es.

Su máximo de 1.5A es 1875 veces su mínimo de 800uA. Un ADC de 16 bits tiene un rango de 65535 bits. Si establece un límite máximo de 5A y permite que la corriente sea positiva o negativa, eso le da una resolución de 153uA por bit. Si la corriente no cambia demasiado rápido, puede mejorar su resolución aún más con el sobremuestreo; por ejemplo, 16 veces el sobremuestreo reduciría esto a 38uA por bit. Entonces no hay problemas para hacer la medición.

Su problema es simplemente la caída de voltaje en la resistencia de derivación. El Sr. Ohm tiene la respuesta allí: ¡haga que su resistencia de derivación sea más pequeña! Puede comprar fácilmente una resistencia de 0.1 ohmios, e incluso 0.01 ohm. (Google "0R1" o "0R01", que son las formas estándar de denotar fracciones de un ohmio).

El problema después de eso es cómo medir el voltaje a través de la derivación. Necesitará un amplificador diferencial con una impedancia de entrada muy alta, para que pueda medir el voltaje sin afectarlo. Luego, desea aumentar su ganancia, para que pueda manejar el ADC con un voltaje adecuado.

Los bajos voltajes significan más problemas de ruido, así que preste atención al enrutamiento de seguimiento y a todas las demás cosas de diseño de mejores prácticas. También deberá prestar la debida atención a fuentes de alimentación estables y referencias. Los reguladores de modo de interruptor no son tus amigos aquí. Incluso un regulador lineal después de un modo de conmutación no necesariamente tiene suficiente PSRR para eliminar adecuadamente la ondulación.

Las etapas de ganancia inevitablemente tendrán algún desplazamiento de CC en ellas. Deberá incluir un paso de autocalibración en el que mida la lectura de ADC sin corriente y luego reste esa lectura de cero cuando realmente esté haciendo mediciones de corriente. Puede hacer esto automáticamente al inicio (muchos metros "marcan" cuando se inician, y es porque están cambiando entre las referencias a bordo para hacer esa autocalibración) o puede hacerlo una vez y luego almacenar los resultados en NVM.

¡Tenga en cuenta que esta es la respuesta corta ! Espero que esto te dé algunos consejos sobre cómo abordar el problema.

Sé que es una vieja pregunta, pero la información aún puede ser útil.

Es posible que desee ver algunos de los conceptos de diseño de uCurrent por Dave Jones en EEVBlog. Si bien no tiene rango automático, cubre las mediciones de nivel inferior; Además, algunos de los mods por ahí reducen el número de rangos sin dejar de ser bastante precisos.

Como mínimo, dividiría las mediciones en rangos inferiores a 1A (en realidad inferiores a 400 mA) y superiores a 1A (también conocido como 1.5A durante la transmisión).

Sin más información (lo cual admito puede que no sea posible en este momento eliminar la pregunta original) es difícil dar detalles, pero veré qué puedo hacer.

A menos que esté utilizando un mcu / transceptor monolítico (nrf5x, STBlue, etc.), trataría la ruta de suministro de radio de la misma manera que enrutaría las rutas de corriente digital para evitar afectar su corriente analógica. Si está utilizando un dispositivo monolítico de alta potencia, la única solución real que veo es utilizar una resistencia de detección muy pequeña combinada con un amplificador / módulo de detección de corriente que tenga un rango de entrada de entrada muy amplio. Sé que ADI tiene un par (de hecho, ayer estaba mirando los amplificadores / módulos de detección actuales) que pueden funcionar. Y si tuviera que adivinar, TI también tiene dispositivos que funcionarían.

Otra fuente de información sería el blog de Jean-Claude Wippler en JEELabs . A lo largo de los años (parece que son más de 10), ha realizado más de un experimento a bordo del consumo de corriente mientras buscaba una mayor duración de la batería. Si bien puede no estar directamente en el punto, puede dar a las ideas de OP en qué dirección ir. Este es el último artículo que veo sobre el tema. Para ver la larga lista y la historia de su trabajo, utilicé la simple búsqueda en Google de

site:jeelabs.org current measurement

Acabo de descubrir el CurrentRanger , que lleva el concepto uCurrent (mediciones de corriente de baja carga) a un nivel completamente nuevo. El rango automático, la salida en serie y una pantalla OLED opcional son solo algunas de las nuevas características. El esquema y el firmware están disponibles y Felix entra en una buena cantidad de detalles sobre el diseño.

Editar: mejor detalle de lo que estaba pensando al vincular esas páginas.

Segunda edición: agregue el CurrentRanger. Una de las quejas en los comentarios fue que el uCurrent no era automático.

He tenido el problema del rango dinámico al probar los goteros de voltaje de modo de conmutación automotriz. Para las corrientes de entrada esperadas de hasta 5 amperios, utilicé una derivación de 100 miliohmios.

Al probar si la corriente sin carga extraída de 24 V era inferior a 7 mA, utilicé una derivación de 10 Ω con un diodo Schottky de 10 A a través de ella. La combinación de derivación permaneció en mi plantilla de prueba. Cambié mi DVM entre las dos derivaciones con un interruptor deslizante DPDT .

Esto fue en 1995 y los números no fueron grandes. En estos días, podría cambiar electrónicamente para controlar los voltajes de derivación. Podría tener más de dos derivaciones conectadas en serie si es necesario. La clave para esto es evitar la derivación de alta resistencia y baja corriente con un diodo.

Un truco que he usado en el pasado es colocar la resistencia sensorial dentro del circuito de retroalimentación de un amplificador operacional. Esto permite que el voltaje de suministro al dispositivo bajo prueba se mantenga bastante constante mientras se desarrolla un voltaje más alto en la resistencia de derivación.

En mi caso, combiné esto con varios amplificadores de instrumentación y ADC que se ejecutan en paralelo para obtener un rango dinámico más amplio.

Describo el sistema que construí en el capítulo 5 de mi tesis de doctorado . Mi sistema no será directamente aplicable a su aplicación, pero puede dar algunas ideas sobre los desafíos que debe enfrentar un sistema como este.

Algún tiempo después de desarrollar mi sistema de bricolaje descubrí que Agilent (ahora Keysight) había desarrollado un sistema similar . Aunque no es barato.

Como enfoque alternativo, puede usar una pequeña derivación que se ajuste al rango de 1.5 A y tener dos circuitos de ganancia separados alimentados a dos ADC diferentes. Por software, puede elegir cuál usar en función de su lectura. Con una corriente más alta, tendrá un ADC de mayor ganancia saturado, y sabrá que debe usar el otro.

El problema tiene que ver con la integridad de la señal con la reducción de EMI.

1.5A / 0.75mA significa una SNR de 66 dB y precisión en el ADC.

El ruido de fondo debe protegerse, suprimirse, filtrarse con CMRR excelente y promediarse para lograr esto con un buen ADC de 16 bits.

Si no tiene esta resolución, puede tener dos entradas diferentes con una con una ganancia de 40dB más alta. La potencia de derivación y el voltaje de error de regulación de carga permisible limitan la resistencia de derivación y generalmente se eligen 75 mV máx. Un sensor de corriente IC con ganancia puede ser una modificación Moro.

Cómo lograr esto requiere experiencia. Con una resolución de <-90 dB y un objetivo de diseño de 80 dB SNR con suerte, puede lograr 70 dB SNR.