Façons de mesurer le courant en picoampères

J'ai besoin de vérifier la faible consommation d'énergie d'un microcontrôleur dans la gamme des picoampères . Je n'ai qu'un multimètre capable de mesurer des milliampères et en tant que tel, il affiche 0.

Existe-t-il un moyen simple et précis de mesurer les picoampères?

Alimentez le microcontrôleur avec un condensateur, chargé à une tension connue. Attendez une durée appropriée, puis mesurez la tension. Calculez le courant à partir du delta-V et du C. (Ne mesurez pas la tension en continu, sauf si vous avez un compteur avec une impédance suffisamment élevée, car cela pourrait attirer du courant supplémentaire.) Vous aurez besoin d'un condensateur avec une capacité connue, mais à la rigueur, vous pouvez mesurer un condensateur de la même manière en le déchargeant à travers une résistance connue.

Comme le soulignent les commentaires, d'autres voies de courant pourraient contribuer à la décharge du condensateur (y compris l'autodécharge). Vous pouvez répéter la mesure sans UC et voir quelle valeur cela donne. Ensuite, vous pourriez vous demander si vous pouvez éviter de manière réaliste de tels «autres» courants dans votre conception.

Et n'oubliez pas l'auto-décharge et / ou le vieillissement de vos batteries!

Si vous visez est trop `` voir '' le mode de mise hors tension de la puce en action, vous pouvez utiliser le condensateur, construisez un circuit simple qui le connecte périodiquement à l'alimentation (si possible synchronisé avec le cycle d'activité de l'UC, doit avoir un réel) faible courant de fuite!), et surveillez la tension du C sur un oscilloscope (l'impédance de l'oscilloscope doit être supérieure à la consommation de courant de l'UC, ou vous pouvez même utiliser le couplage CA si le cycle d'activité de l'UC est assez court). De cette façon, vous pouvez vérifier à la fois la division temporelle dans la consommation de courant élevée et faible et les courants dans les deux modes.

Une méthode simple que j'ai utilisée consiste à mettre une résistance en série avec l'alimentation du micro et à la mettre en parallèle avec un condensateur. La fuite du condensateur n'est pas aussi importante dans ce cas.

Par exemple, si vous pensez que le courant d'alimentation ne doit pas dépasser 10 nA, vous pouvez utiliser une résistance de valeur 10M 1% en parallèle avec un condensateur céramique 1uF. Cela vous donnera 100,0 mV pour 10 nA (donc la charge de l'ampèremètre est de 0,1 V, ce qui ne devrait pas trop affecter le circuit - augmentez légèrement la tension d'entrée pour compenser la chute si cela vous dérange).

Regardez ensuite la tension aux bornes de la résistance 10M à l'aide d'un voltmètre à haute impédance d'entrée, comme l'Agilent 34401 en mode de résistance d'entrée> 10G. Le courant de polarisation du compteur influencera la lecture, mais il est inférieur à 30pA (0,3%) à température ambiante.

La combinaison 10M / 1uF filtre les pointes à moins qu'elles ne se produisent à très basse fréquence (si, par exemple, votre processeur se réveille toutes les 10 secondes et consomme 0,5 mA pour 100usec, cela ne fonctionnera pas très bien).

La consommation d'énergie ou de courant d'un microcontrôleur peut être très irrégulière selon l'état du µC. Par exemple: 1pA pendant 999 ms puis 1uA pendant 1 ms. En moyenne, ce serait 1,001 nA. Si votre multimètre effectuait une mesure toutes les 100 ms, il ne mesurerait jamais le 1,001 nA! Dans ce cas, vous devez utiliser une résistance en série avec l'alimentation et un oscilloscope pour mesurer la tension aux bornes de la résistance pour "voir" le courant réel au fil du temps.

La plupart des oscilloscopes spécifient leur impédance d'entrée de canal. Il s'agit généralement d'un Gigaohm. Si vous placez l'oscilloscope dans le chemin de terre de l'UC (la plupart des oscilloscopes connectent la terre du canal à la terre, et vous ne pourrez peut-être pas placer de terre sur le VDD de l'UC), vous mesurerez la tension aux bornes de cette résistance, et donc le courant utilisé par l'UC, en temps réel. Cela devrait vous donner des mesures assez précises (1mV => 1pA).

Examinons la question de savoir si la batterie "se soucie" - c'est-à-dire qu'une charge dans la plage pA affecterait-elle considérablement la durée de vie de la batterie?

Spoiler: Non. Même les mesures capables d'une résolution de 1 nA sont plus "précises" que ce qui est nécessaire dans la pratique.

Les meilleures batteries au lithium primaires (non rechargeables) ont une durée de vie utile d'environ 20 ans (avec peut-être 30% à 70% de perte de capacité) sans plus qu'une attention sensible aux températures, etc. Des exemples typiques sont

20 ans représentent environ 175 000 heures, donc 10 mAh de perte sur cette période équivalent à un courant de 10/175 000 mA ou 10 000 000/175 000 = 57 = 57 000 pA. La mesure de pA est donc totalement inutile pour toute taille de batterie susceptible d'être utilisée.

Par exemple, une batterie de 50 mAh avec disons 50% de perte de durée de vie après 20 ans (une bonne astuce si vous pouvez le faire) permettrait 25 mAh pour la charge ou un courant moyen de 142500 pA = 142,5 nA = 0,1425 uA. La mesure au nA le plus proche du courant de charge moyen vous donne une précision d'environ 1% - ce qui permettra une estimation beaucoup plus précise de la durée de vie de la batterie que celle que vous trouverez en réalité. Des variations pratiques vont submerger de telles tentatives.