Mesurer une large gamme de courant 800 µA - 1,5 A

J'ai de la difficulté à mesurer le courant dans un appareil IoT que je fabrique. Je dois pouvoir collecter des données sur la consommation d'énergie au fil du temps et sur le courant du mode veille. J'essayais d'utiliser une résistance shunt pour collecter les données actuelles, mais je rencontre la tête la première dans un problème avec Georg Ohm et toutes ses lois.

En mode veille, mon appareil devrait utiliser environ 800 µA de courant, mon PSU pas si précis dit qu'il sort environ 2 mA, alors j'ai peut-être un peu plus de codage à faire. Cependant, en mode veille, à des intervalles apparemment aléatoires, le modem se rallumera pendant un bref instant et transmettra (comportement standard du modem en veille profonde). Cette rafale de transmission peut atteindre environ 1,5 A.

Quoi qu'il en soit, j'ai un problème avec une résistance de shunt car une chute de tension qui me permet de voir toutes les données significatives sur le courant de sommeil, baisse tellement de tension pendant une rafale de transmission que mon appareil redémarre.

Quelqu'un pourrait-il recommander un moyen de mesurer le courant d'une si grande plage de courant?

Spécifications de l'appareil:

• Courant en mode veille: 600 µA - 3 mA
• Sur courant: 27-80 mA
• Transmission en rafale: jusqu'à 1,5 A
• Tension: 2,6 V - 4,2 V
• Courant de charge: 400 mA

De quelle précision avez-vous besoin? Si vous n'avez besoin que d'une estimation, une diode au silicium en série vous donnera une indication plus ou moins logarithmique sur une large gamme de courants.

Le principal problème avec une diode, la variation de la chute de tension avec la température, peut être considérablement atténué en faisant fonctionner une deuxième diode à la même température avec un courant de référence. Deux diodes dans un pont redresseur seraient couplées thermiquement et idéal pour cela, j'ai marqué les connexions sur le schéma, le pont + ve reste inutilisé. Comme votre charge est de très faible puissance et que les courants élevés ne sont que de courtes impulsions, même deux diodes individuelles collées ensemble devraient être OK. Un 1N540x, par exemple, est bon pour 3 A en continu et aura toujours une baisse significative vers l'avant à 100 µA.

Il présente l'avantage que la tension de charge change très peu, peut-être quelques centaines de mV entre 500 µA et 1,5 A, beaucoup moins qu'avec un shunt résistif qui mesurera mA.

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Le remplacement de R1 par un puits de courant rendrait le courant de référence plus précis, mais (tension d'alimentation - 0,7 V) / R1 est probablement suffisant pour la plupart des applications. Idéalement, le courant de référence se situerait au milieu de la plage que vous souhaitez mesurer le mieux. Quelque part dans la gamme 1 à 10 mA, ça fait du bien.

La lecture du voltmètre sera proportionnelle au logarithme du rapport de la charge au courant de référence. L'impédance de sortie des diodes est très faible, donc amplifier la différence avec un ampli-op, peut-être pour le mettre à l'échelle ou pour le référencer au sol, sera simple.

Vous devrez calibrer la conversion de mesure à des courants élevés et faibles pour établir la loi de log, et il serait bon de la vérifier à quelques points entre les deux. N'oubliez pas que l'étalonnage à un courant élevé chauffera la diode de charge, vous devrez donc peut-être utiliser des impulsions courtes, aussi courtes que vos impulsions de transmission, pour minimiser les erreurs de dérive thermique.

Une extension de la réponse de Neil_UK, si vous avez besoin d'une précision décente sur le courant de sommeil mais ne vous souciez pas de mesurer un courant élevé avec le même circuit, est de mettre une diode et une résistance en parallèle:

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

De cette façon, lorsque le courant est faible, la tension aux bornes de la résistance sera bien proportionnelle, et elle sera suffisamment faible pour que la diode soit effectivement éteinte, de sorte qu'elle ne dérive pas trop du courant loin de la résistance (bien que vérifier les spécifications de votre diode).

Lorsque le courant est élevé, la diode est conductrice et limite la chute de tension à une valeur raisonnable. Si vous souhaitez également mesurer le courant à ce moment, vous pouvez ajouter un autre shunt en série, comme ceci (idée courtoisie de @dim):

^{simuler ce circuit}

Vous décrivez cela comme un large éventail. Ce n'est vraiment pas le cas.

Votre maximum de 1,5A est 1875 fois votre minimum de 800uA. Un ADC 16 bits a une plage de 65 535 bits. Si vous définissez une limite maximale de 5A et permettez au courant d'être positif ou négatif, cela vous donne une résolution de 153uA par bit. Si le courant ne change pas trop rapidement, vous pouvez encore améliorer votre résolution avec un suréchantillonnage - par exemple, un suréchantillonnage 16 fois ramènerait cela à 38 uA par bit. Il n'y a donc aucun problème à effectuer la mesure.

Votre problème est simplement la chute de tension sur la résistance shunt. M. Ohm a la réponse: réduisez la résistance de shunt! Vous pouvez facilement acheter une résistance de 0,1 ohm, voire 0,01 ohm. (Google "0R1" ou "0R01", qui sont les moyens standard de désigner les fractions d'un ohm.)

Le problème après cela est de savoir comment mesurer la tension aux bornes du shunt. Vous aurez besoin d'un amplificateur différentiel avec une impédance d'entrée très élevée, afin de pouvoir mesurer la tension sans l'affecter. Vous voulez ensuite y mettre un peu de gain, afin de pouvoir piloter l'ADC avec une tension appropriée.

Les basses tensions signifient plus de problèmes de bruit, alors faites attention au suivi du routage et à toutes les autres trucs de mise en page des meilleures pratiques. Vous devrez également prêter une attention particulière aux alimentations et références stables. Les régulateurs à découpage ne sont pas votre ami ici. Même un régulateur linéaire après un mode de commutation n'a pas nécessairement suffisamment de PSRR pour éliminer correctement l'ondulation.

Les étages de gain auront inévitablement un certain décalage CC sur eux. Vous devrez inclure une étape d'auto-étalonnage où vous mesurez la lecture ADC sans courant, puis soustrayez cette lecture zéro lorsque vous effectuez réellement des mesures de courant. Vous pouvez le faire automatiquement au démarrage (de nombreux compteurs "cochent" au démarrage, et c'est parce qu'ils basculent entre les références intégrées pour effectuer cet auto-étalonnage) ou vous pouvez le faire une fois, puis stocker les résultats dans NVM.

Gardez à l'esprit que c'est la réponse courte ! J'espère que cela vous donne quelques indications sur la façon de résoudre le problème.

Je sais que c'est une vieille question, mais l'information pourrait toujours être utile.

Vous voudrez peut-être vérifier certains des concepts de conception de uCurrent par Dave Jones sur EEVBlog. Bien qu'il n'ait pas de plage automatique, il couvre les mesures de niveau inférieur; Certains mods réduisent également le nombre de plages tout en restant assez précis.

Au minimum, je diviserais les mesures en dessous de 1A (en fait en dessous de 400mA) et au-dessus de 1A (aka 1,5A pendant la transmission).

Sans plus d'informations (ce qui, je l'avoue, n'est peut-être pas possible à ce stade de la question d'origine), il est difficile de donner des détails, mais je verrai ce que je peux faire.

À moins que vous n'utilisiez un mcu / émetteur-récepteur monolithique (nrf5x, STBlue, etc.), je traiterais le chemin d'alimentation radio de la même manière que l'on acheminerait les chemins de courant numériques pour éviter d'affecter votre courant analogique. Si vous utilisez un appareil monolithique haute puissance, la seule vraie solution que je vois est d'utiliser une très petite résistance de détection combinée à un amplificateur / module de détection de courant qui a une très large plage d'entrée d'entrée. Je sais que ADI a deux (en fait, je regardais hier les amplificateurs / modules de détection actuels) qui peuvent fonctionner. Et si je devais deviner, TI a également des appareils qui fonctionneraient.

Une autre source d'information serait le blog de Jean-Claude Wippler sur JEELabs . Au fil des ans (cela ressemble à environ 10+), il a fait plus d'une expérience à bord du tirage actuel tout en recherchant une durée de vie de la batterie plus longue. Bien qu'il ne soit pas directement pertinent, il peut donner au PO des idées sur la direction à prendre. Ceci est le dernier article que je vois sur le sujet. Pour voir la longue liste et l'historique de son travail, j'ai utilisé la simple recherche google de

site:jeelabs.org current measurement

Je viens de découvrir le CurrentRanger , qui porte le concept uCurrent (mesures de courant à faible charge) à un tout nouveau niveau. Gamme automatique, sortie série et écran OLED en option ne sont que quelques-unes des nouvelles fonctionnalités. Le schéma et le firmware sont disponibles et Felix entre dans une quantité assez détaillée de conception.

Edit: meilleur détail de ce que je pensais en reliant ces pages.

Deuxième édition: ajoutez le CurrentRanger. L'une des plaintes dans les commentaires était que le uCurrent n'était pas à sélection automatique.

J'ai eu le problème de plage dynamique lors du test des compte-gouttes de tension à découpage automobile. Pour les courants d'entrée attendus jusqu'à 5 ampères, j'ai utilisé un shunt de 100 milliohm.

Lors du test si le courant à vide tiré de 24 V était inférieur à 7 mA, j'ai utilisé un shunt de 10 Ω avec une diode Schottky de 10 A à travers. La combinaison de shunt est restée dans mon gabarit de test. J'ai commuté mon DVM entre les deux shunts avec un interrupteur à glissière DPDT .

C'était en 1995 et le nombre n'était pas important. Ces jours-ci, vous pouvez passer électroniquement pour surveiller les tensions de shunt. Vous pouvez avoir plus de deux shunts connectés en série si nécessaire. La clé de ceci est de contourner le shunt à faible courant à haute résistance avec une diode.

Une astuce que j'ai utilisée dans le passé est de mettre la résistance de détection à l'intérieur de la boucle de rétroaction d'un ampli-op. Cela permet de maintenir la tension d'alimentation du dispositif sous test assez constante tout en permettant à une tension plus élevée d'être développée sur la résistance de shunt.

Dans mon cas, j'ai combiné cela avec plusieurs amplificateurs d'instrumentation et ADC fonctionnant en parallèle pour obtenir une gamme dynamique plus large.

Je décris le système que j'ai construit au chapitre 5 de ma thèse de doctorat . Mon système ne sera pas directement applicable à votre application, mais il peut donner quelques idées sur les défis à relever avec un système comme celui-ci.

Quelque temps après avoir développé mon système de bricolage, j'ai découvert qu'Agilent (maintenant Keysight) avait développé un système similaire . Pas bon marché cependant.

Comme approche alternative, vous pouvez utiliser un petit shunt qui convient à la plage de 1,5 A et avoir deux circuits de gain séparés alimentés par deux ADC différents. Par logiciel, vous pouvez ensuite choisir celui à utiliser en fonction de leur lecture. Avec un courant plus élevé, vous aurez le gain plus élevé d'ADC saturé, et vous saurez que vous devez utiliser l'autre.

Le problème est lié à l'intégrité du signal avec réduction EMI.

1,5 A / 0,75 mA signifie un SNR de 66 dB et une précision sur l'ADC.

Le bruit de fond doit être blindé, supprimé, filtré avec une excellente CMRR et moyenné pour y parvenir avec un bon CAN 16 bits.

Si vous n'avez pas cette résolution, vous pouvez avoir deux entrées différentes avec une ayant un gain supérieur de 40 dB. La puissance de dérivation et la tension d'erreur de régulation de charge admissible limitent la résistance de dérivation et généralement 75 mV max sont choisis. Un capteur de courant IC avec gain peut être un Moro emend.

Pour y parvenir, il faut de l'expérience. Avec une résolution <-90 dB et un objectif de conception de 80 dB SNR, nous espérons pouvoir atteindre 70 dB SNR.