Виміряйте широкий діапазон струму 800 мкА - 1,5 А

У мене виникають труднощі з вимірюванням струму в пристрої IoT, який я роблю. Мені потрібно мати можливість збирати дані про споживання електроенергії з часом і про поточний режим сну. Я намагався використовувати резистор шунта для збору поточних даних, але я вперше зіткнувся з проблемою з Георгом Омом та всіма його законами.

У режимі сну мій пристрій повинен використовувати близько 800 мкА струму, мій не дуже точний блок живлення говорить, що він виводить близько 2 мА, тому, можливо, у мене є трохи більше кодування. Однак під час сну, на перший погляд, випадкові проміжки часу модем на короткий момент увімкнеться і передасть (стандартна поведінка модему глибокого сну). Цей вибух передачі може становити приблизно 1,5 А.

У всякому разі, у мене виникають проблеми з використанням резистора шунту, оскільки падіння напруги, яке дозволяє мені бачити будь-які значущі дані про струм сну, падає стільки напруги під час сплеску передачі, що мій пристрій перезавантажується.

Чи може хтось порекомендувати спосіб вимірювання поточного такого великого діапазону струму?

Технічні характеристики пристрою:

• Струм режиму сну: 600 мкА - 3 мА
• По струму: 27-80 мА
• Розрив передачі: до 1,5 А
• Напруга: 2,6 В - 4,2 В
• Зарядний струм: 400 мА

Яка точність вам потрібна? Якщо вам потрібна лише оцінка, то серійний діод кремнію дасть вам більш-менш логарифмічну індикацію в широкому діапазоні струмів.

Основну проблему з діодом, коливання перепадів напруги з температурою, можна значно пом'якшити, запустивши другий діод при тій же температурі з опорним струмом. Два діоди в мості випрямлячів були б термічно з'єднані і ідеально підходять для цього. Я відзначив схеми з'єднання, міст + залишається невикористаним. Оскільки навантаження дуже низька, а великі струми - лише короткі імпульси, навіть два окремих діода, скріплені разом, повинні бути в порядку. Наприклад, 1N540x хороший для тривалості 3 A і все ще матиме значне падіння вперед при 100 мкА.

Перевага полягає в тому, що напруга навантаження змінюється дуже мало, можливо, кілька сотень мВ між 500 мкА і 1,5 А, набагато менше, ніж при резистивному шунті, який вимірюватиме мА.

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

Заміна R1 потоковою раковиною зробить опорний струм більш точним, але (напруга живлення - 0,7 В) / R1, ймовірно, достатньо для більшості цілей. В ідеалі, опорний струм був би посередині діапазону, який ви хочете найкраще виміряти. Десь в діапазоні від 1 до 10 мА почувається добре.

Показання вольтметра буде пропорційним журналу відношення навантаження до опорного струму. Вихідний опір від діодів дуже низький, тому посилення різниці з підсилювачем, можливо, для його масштабування або заземлення, буде неспроможним.

Вам потрібно буде відкалібрувати конверсію вимірювань на високих і низьких струмах, щоб встановити закон журналу, і було б добре перевірити його в декількох точках між ними. Пам’ятайте, що калібрування на великому струмі нагріє діод навантаження, тому вам, можливо, знадобиться використовувати короткі імпульси, короткі, як ваші передачі імпульси, щоб мінімізувати помилки теплового дрейфу.

Розширення відповіді Neil_UK, якщо вам потрібна пристойна точність в режимі сну, але вам не байдуже вимірювання високого струму за допомогою тієї ж схеми, полягає в тому, щоб паралельно поставити діод і резистор:

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

Таким чином, коли струм низький, напруга на резисторі буде добре пропорційним, і воно буде досить низьким, щоб діод ефективно вимикався, тому він не перемикає занадто багато струму від резистора (хоча перевірити характеристики на вашому діоді).

Коли струм великий, діод проводить і обмежує падіння напруги до деякого розумного значення. Якщо ви також хочете виміряти струм і в цей час, ви можете додати ще один шунт в серії, як-от так (люб'язно надано @dim):

^{моделювати цю схему}

Ви описуєте це як широкий діапазон. Це насправді не так.

Ваш максимум 1,5A в 1875 разів перевищує ваш мінімум 800uA. 16-бітний АЦП має діапазон 65535 біт. Якщо встановити максимальний ліміт 5A і дозволити струму бути позитивним або негативним, це дає роздільну здатність 153uA на біт. Якщо струм не змінюється надто швидко, ви можете покращити свою роздільну здатність ще більше за допомогою пересимплінгу - наприклад, 16-разове перевиконання зменшить це до 38uA за біт. Тож проблем із вимірюванням не виникає.

Ваша проблема - просто падіння напруги на маневровому резисторі. Містер Ом там відповідь - зробіть свій маневровий резистор меншим! Ви можете легко купити резистор 0,1 Ом і навіть 0,01 Ом. (Google "0R1" або "0R01", які є стандартними способами позначення дробів ома.)

Проблема після цього полягає в тому, як виміряти напругу через шунт. Вам знадобиться диференціальний підсилювач з дуже високим вхідним опором, щоб можна було виміряти напругу, не впливаючи на це. Потім ви хочете покласти деякий приріст на це, щоб ви могли керувати АЦП відповідною напругою.

Низькі напруги означають більше проблем із шумом, тому зверніть увагу на маршрутизацію треку та всі інші матеріали з найкращою практикою компонування. Вам також потрібно буде приділити належну увагу стабільним джерелам живлення та посиланням. Регулятори режиму комутації тут не ваш друг. Навіть лінійний регулятор після переключення в режимі перемикання не обов'язково має достатньо PSRR, щоб правильно знищити пульсацію.

Етапи посилення неминуче матимуть певний зміщення постійного струму на них. Вам потрібно буде включити крок самокалібрування, коли ви вимірюєте показник АЦП без струму, а потім віднімаєте цей нульовий показник, коли ви фактично робите поточні вимірювання. Ви можете зробити це автоматично під час запуску (багато метрів "галочки" під час запуску, і це тому, що вони перемикаються між бортовими посиланнями, щоб зробити це автоматичне калібрування) або ви могли зробити це один раз, а потім збережіть результати в NVM.

Майте на увазі, що це коротка відповідь! Я сподіваюся, що це дає вам деякі вказівки щодо вирішення проблеми.

Я знаю, що це давнє запитання, але інформація все ж може бути корисною.

Можливо, ви захочете ознайомитись із деякими дизайнерськими концепціями uCurrent від Дейва Джонса на EEVBlog. Не маючи автоматичного діапазону, він охоплює вимірювання нижнього рівня; Також деякі модники там зменшують кількість діапазонів, залишаючись при цьому досить точними.

Як мінімум, я б розбив вимірювання на рівні нижче 1А (фактично нижче 400 мА) і вище 1А (так само 1,5А під час передачі).

З додатковою інформацією (яка, на мою думку, може бути неможливою на даний момент видалення оригінального питання), важко дати конкретику, але я побачу, що я можу зробити.

Якщо ви не використовуєте монолітний пристрій mcu / приймач (nrf5x, STBlue тощо), я б ставився до каналу подачі радіо так само, як можна було б прокласти цифрові поточні контури, щоб не впливати на ваш аналоговий струм. Якщо ви використовуєте монолітний пристрій високої потужності, єдине реальне рішення, яке я бачу, - це використовувати дуже малий сенсорний резистор у поєднанні з підсилювачем / модулем відчуття струму, який має дуже широкий вхідний діапазон. Я знаю, що в ADI є пара (фактично я тільки вчора дивився на поточні підсилювачі / модулі), які можуть працювати. І якби мені довелося здогадуватися, у TI також є пристрої, які працювали б.

Іншим джерелом інформації буде блог Жана-Клода Віпплера в JEELabs . За ці роки (виглядає приблизно 10+) він здійснив більше одного експерименту на поточному розіграші борту, шукаючи більш тривалий час автономної роботи. Хоча це може бути не безпосередньо, але воно може дати ідеї ОП, в якому напрямку рухатися. Це остання стаття, яку я бачу з цього приводу. Щоб побачити довгий список та історію його роботи, я використав простий пошук у Google

site:jeelabs.org current measurement

Я щойно відкрив CurrentRanger , який піднімає концепцію uCurrent (вимірювання струму низького навантаження) на абсолютно новий рівень. Автоматичний діапазон, серійний вихід та додатковий OLED-дисплей - лише пара нових функцій. Схематичні та прошивки доступні, і Felix детально розглядає дизайн.

Редагувати: детальніше про те, що я думав, зв’язуючи ці сторінки.

Друге редагування: додайте CurrentRanger. Однією зі скарг у коментарях було те, що uCurrent не був автоматичним.

У мене виникло питання щодо динамічного діапазону при тестуванні крапельників напруги в режимі автомобільного перемикання. Для очікуваних вхідних струмів до 5 ампер я використав 100-мільйонний шунт.

При тестуванні, чи струм без навантаження, витягнутий від 24 В, був меншим від 7 мА, я використовував шунт 10 Ом з діодом Шоткі 10 А поперек нього. Комбінація шунтів залишилася в моєму тестовому джигу. Я перемикав свій DVM між двома шунтами за допомогою перемикача DPDT .

Це було в 1995 році, і цифри були не великими. У ці дні ви можете електронним способом переключитися, щоб стежити за напругою шунта. Ви можете мати більше двох серій підключених шунтів, якщо потрібно. Ключовим для цього є обхід високоопірного шунта низького струму діодом.

Один трюк, який я використовував у минулому, - це покласти сенсорний резистор всередину контуру зворотного зв'язку підсилювача. Це дозволяє підтримувати напругу живлення досліджуваного пристрою досить постійним, дозволяючи розвивати більш високу напругу на маневровому резисторі.

У моєму випадку я поєднав це з декількома підсилювачами приладів та АЦП, що працюють паралельно, щоб отримати ширший динамічний діапазон.

Я описую систему, побудовану в 5-й главі моєї дисертації з PHD . Моя система не буде безпосередньо застосовна до вашої програми, але вона може дати деякі уявлення про проблеми, з якими стикається система, як ця.

Через деякий час після того, як я розробив свою самостійну систему, я виявив, що Agilent (тепер Кійсайт) розробив подібну систему . Не дешево, хоча.

Як альтернативний підхід, ви можете використовувати невеликий шунт, який відповідає діапазону 1,5 А і має два окремі схеми посилення, що подаються на два різні АЦП. За допомогою програмного забезпечення ви можете вибрати, який саме використовувати, виходячи з їх читання. З більшим струмом у вас буде більш високий коефіцієнт посилення АЦП, і ви будете знати, що вам доведеться використовувати інший.

Проблема полягає в цілісності сигналу зі зменшенням EMI.

1,5A / 0,75mA означає SNR 66 дБ та точність на АЦП.

Фоновий шум необхідно захищати, придушувати, фільтрувати з відмінною CMRR та усереднювати для того, щоб досягти цього за допомогою хорошого 16-бітного АЦП.

Якщо у вас немає цієї роздільної здатності, ви можете мати два різні входи, причому один має 40dB вищий коефіцієнт посилення. Потужність шунту та допустима напруга похибки регулювання навантаження обмежує опір шунта і зазвичай вибирається 75 мВ макс. Датчик струму ІС з посиленням може бути виправленням Моро.

Як цього досягти, потрібен досвід. Маючи дозвіл <-90 дБ та проектну ціль SNR 80 дБ, сподіваємось, ви зможете досягти SNR 70 дБ.