Kako meriti mikroAmp/nanoAmp potrošnju

[Dragan100]

Dragan100,
Treba mu autoranger da bi pokrio to što želi izmeriti. Ne može ručno da menja opsege jer mu se može DUT uključiti bilo kad.

Npejcic,

Poledaj LT aplikacionu notu AN105. Tu imaš nekoliko primera autorangera za dva opsega struje.
Uz malu promenu veličina šentova možeš podesiti opsege za tvoje potrebe.
Dva opsega verovatno pokriva pokriva dinamički raspon koji si tražio.
Imaš i od Texas tidu033 aplikacionu notu, gde gain možeš menjati iz MCU, koristeći neki elektronski prekidač poput 4066 umesto dip-sw.

Da, Macola,
razumeo sam šta mu treba okvirno,
predlog je kao osnova pa se nadogradi a lako je umesto preklopnika Range da se stavi mosfete/prekidače koje upravlja MCU sa A/D i SW Autorange
Možda ni netreba nA područje.
Treba jedan primerak DUT ispitati :
Sleep, Aktivation, On-line stanja, vremena prehoda stanja (da se zna kako brzo mora odraditi Autorange)
čekirati BAT sve sa svojom internom samopražnjenjem, monitorirati napon BAT...
Kad se ima sve te parametre, onda dalje sa projektovanjem.

EDIT_
Možda odradi posao več napravljen modul kojeg je predložio @brankotod

[Macola]

Moguće da će mu nešto od predloženog završiti posao. Ima toga na ponudi pa nek odabere.

Nego, još nije napisao dovoljno precizan opis tipične potrošnje jednog modula.
To je neophodno da bi projekat bio dobro optimizovan...

[ddanijel]

Problem je u tome što nećeš naći šotki diodu sa padom manjim od 400mV pri par stotina mA kad proradi DUT modul.
Čak i da staviš neku za 25A pad napona će ti biti preko 250mV.
To je preveliki pad napona za neku baterijsku napravu i onda uslovi potrošnje te baterije gube validnost. Osim toga se može desiti da ne proradi DUT pri takvom padu napona.
Šent za manje struje se mora bajpasovati neki mosfetom sa nekoliko milioma Rds_on, kad se pređe u rang veće potrošnje.

Da, palo mi je na pamet resenje sa preklapanjem mosfetom ali reko da ne komplikujem pricu.
Ono sto je npejcic trazio je sasvim validno i sa obicnom shotky i sa padom od 400mV jer mu radio modul radi do 3.3v , a napon pune LiIon je 4.2v.
Ako nisam pogresno shvatio merenje koje on treba da radi je kratko, tipa 1-2 dana ili par dana, za potrebe izracunavanja , a ne permanentno na datom uredjaju.

[branko tod]

Pitanje je da li uopšte mora da se uređaj napaja iz baterije. Bitan je samo ukupan obračun
popijene energije za određeno vreme tako da je moguće napajanje i iz ispravljača. Tako
mogu da se kompenzuju padovi napona.

[Macola]

Pitanje je da li modul ima u sebi i neki čoper koji se aktivira kad je van sleep moda?
Ako ima, onda potrošnja raste sa opadanjem napona baterije.

Dakle, treba snimiti kompletnu U-I krivu za sleep mod i za aktivni mod.
Baterija takođe menja Ri pri pražnjenju, što takođe treba snimiti. Tu jako može pomoći neki super cap. za dikapling tokom aktivnog stanja. Ti moduli ne raportiraju dugo i tim se može pristojno nadoknaditi porast Ri.

[vojinilic]

Maki,

sleep je oko 1-4uA. GSM skake u pikovima na 500mA-1A. To su bust-ovi koji traju po 50-100ms.

[vojinilic]

Inace za te aplikacije AVX ima seriju kondenzatora pod nazivom BestCap. Odlikuju se ultra malom ESR i zamena su za superCap bas na ulazu u DC/DC konvertor kako bi bilo duze trajanje veka baterije.

[gorankg]

Veca je potrosnja prilikom GPRS komunikacije nego pri registraciji. SMS je optimalniji po tom pitanju.
Nemam tacan podatak ali sam ranije nailazio na preko 2As pri GPRS data komunikaciji. Dakle, ako budes merio bolje je da uzmes taj slucaj nego registraciju koja se ionako obavlja redje. Ako uredjaj nije stacionaran imas i hendover izmedju celija pa i to povecava (ne puno) potrosnju. Velicina paketa, takodje...
Hocu da kazem da je neki logger resnje koje ce da ti da mnogo bolje rezultate.

[Macola]

Hvala momci! Pobaću jednu novu ideju koju imam.
Tu treba dinamički opseg od preko 1:1,000,000.
Prvo ću u simulatoru...

[npejcic]

Moguće da će mu nešto od predloženog završiti posao. Ima toga na ponudi pa nek odabere.

Nego, još nije napisao dovoljno precizan opis tipične potrošnje jednog modula.
To je neophodno da bi projekat bio dobro optimizovan...

Ponedeljak, na poslu, malo je reći da je gužva. Tek sada stižem da pročitam sve vaše odgovore, hvala, a evo i detalja koje sam razumeo da su dodatno potrebni:

Ideja je bila da se pokrije što veći broj uređaja koji su u narednim godina potrebni a biće ih u velikom dijapazonu odabira konekcija
Trenutno je telemetrija na našim prostorima najjednostavnija da se uradi upotrebom GSM 2.5G modulima, a ima više principa. Ja koristim dva različita
1. Uređaj ide u full sleep i tada je potrošnja uređaja ispod par uA. Na zadato vreme (RTC-om) se budi, ide registracija na GSM mrežu i tada je potrošnja i do 2A
što se "kompenzuje" bulk-elektrolitima, pa kontinualna struja iz baterije nije tolika već nešto uprosečena i kreće se oko par stotina mA. Nakon slanja, uređaj ide u
full sleep mod i tako ciklično... Avako se postižu autonomije i od par godina sa određenim baterijama.
2. Uređaj nikada ne ide u full-sleep već je GSM modem uvek registrovan na GSM mrežu i tada je neka prosečna potrošnja oko 2-5mA, opet zavisi od GSM mreže, signala i sl.

Dodatno se komplikuje potreba, da sada već imamo LoRa, NB-IoT, Cat-M1, RF 868MHz, WiFi 802.11 i ko zna koju još mogućnost za prenos podataka, tako da su i scenariji veoma
različiti. Uređaji koji su recimo namenjeni za prenos podaka sa vodomera, već ulaze u vek trajanja baterije i do 10 godina, (litijum-thionil baterija od 19000mAh), koji da bi ovo postigli
javljaju se svega jednom nedeljno, a u međuvremenu troše extremno niske struje, recimo i ispod uA.

Ako bi se radio kompletno automastki sistem, bojim se da će biti previše kompleksan uređaj za koga treba dosta vremena da se uradi. Dinamički opseg da se pokrije 500nA pa sve do 500mA je ogroman (kao što je Macola i napisao 1:1000000) i bojim se da je nedostižan za ovako koncepiran uređaj, gde bih voleo da se držimo jednostavnosti, pa nisam bio optimista u tom smeru.

Mada Macola je krenuo nešto da smišlja, pa ko zna, to milionče možda i jeste dostižno

Za sada sam nekako najviše sklon da razmišljam o konceptu sa ove šeme ( Dragan100 je ponovio moj predlog)

Stim da sam ja više razmišljao da idem u smeru da iskoristim: INA138 + OPA340 za kondicioniranje signala, a opseg bih ostavio da bude i dalje ručni, preklopnikom kao sa priložene šeme. Ovako kondicionirani signal sam dalje zamislio da vodim direktno u neki STM32 koji ima 12bitni ADC, nešto matematike u MCU i prikaz na LCD.

mikroE rešenje nisam uočio jer sam mislio da je vezano isključivo za AC napone i struje, pogledaću i njega detaljnije.

I konačno, loger je najbolja moguća ideja, tu bi se videlo sve što je potrebno od promene potrošnje do pikova, propada, nagiba itd... ali to naravno zahteva i deo PC aplikacije.

Zato sam napisao da ako ima interesenata da im ova "alatka" treba, i da se nekoliko nas udruže, ja mogu uraditi HW, donirati materijal za par prototipova da se uređaj razvije, šta god da na kraju odaberemo kao najbolju ideju a neko može da isprati sve to na PC računaru. Na kraju može ispasti veoma dobar uređaj koji bi naravno postavili kao OSH projekat na GIT-u foruma.

Što se tiče Logera, mislim da takva aplikacija mora biti vezana isključivo za neki PC računar, jer za nedelju dana logovanja, na recimo 100ms, potrebno je dosta memorije. Bar 32MBy.

P.S. U firmi imam Fluke 289 i generalno on u sebi ima average mod kojim se donekle ovaj moj problem može rešiti... ali rekoh, možda je zgodnije napraviti mali alat za ovu namenu.

[npejcic]

Pitanje je da li modul ima u sebi i neki čoper koji se aktivira kad je van sleep moda?
Ako ima, onda potrošnja raste sa opadanjem napona baterije.

Dakle, treba snimiti kompletnu U-I krivu za sleep mod i za aktivni mod.
Baterija takođe menja Ri pri pražnjenju, što takođe treba snimiti. Tu jako može pomoći neki super cap. za dikapling tokom aktivnog stanja. Ti moduli ne raportiraju dugo i tim se može pristojno nadoknaditi porast Ri.

  Da, imam recimo uređaj koji koristi MCP16311, koji radi i u PFM i u PWM modu... Na nekim uređajima je buck-boost, da uvek na izlazu ima 4.2V a baterija ide od 4.2V do 2.8V kad je prazna.
  Za SuperCap se slažem, imamo i takve uređaje... mada je u proseku elko sa low-esr sa par hiljada uF dovoljan ako je napajanje na 4.2V

Inace za te aplikacije AVX ima seriju kondenzatora pod nazivom BestCap. Odlikuju se ultra malom ESR i zamena su za superCap bas na ulazu u DC/DC konvertor kako bi bilo duze trajanje veka baterije.

  Da, da... a cena...
 

Veca je potrosnja prilikom GPRS komunikacije nego pri registraciji. SMS je optimalniji po tom pitanju.
Nemam tacan podatak ali sam ranije nailazio na preko 2As pri GPRS data komunikaciji. Dakle, ako budes merio bolje je da uzmes taj slucaj nego registraciju koja se ionako obavlja redje. Ako uredjaj nije stacionaran imas i hendover izmedju celija pa i to povecava (ne puno) potrosnju. Velicina paketa, takodje...
Hocu da kazem da je neki logger resnje koje ce da ti da mnogo bolje rezultate.

  Da, ali SMS uskoro ide u penziju, sve je TCP/UDP bazirano sa GPRS/NB-IoT/CatM1 ili LoRa koji i ne podržava po protokolu SMS, tako da od njega se lagano opraštam iako smatram da je nezamenljiv

  Loger jeste bolje rešenje...

[npejcic]

Moguće da će mu nešto od predloženog završiti posao. Ima toga na ponudi pa nek odabere.

Nego, još nije napisao dovoljno precizan opis tipične potrošnje jednog modula.
To je neophodno da bi projekat bio dobro optimizovan...

Ima, može da se odabere. Nema idealnog rešenja, pogotovu što je nemoguće opisati do detalja ponašanje uređaja (potrošača). Ima ih raznih sa veoma različitim dinamičkim karakteristikama. A kako je ovo zamišljeno da bude alat za što bolju aproksimaciju potrošnje struje raznih low-power uređaja, spreman sam na kompromis

[npejcic]

Ovo sam našao kao primer koji najbolje objašnjava potrebu za uređajem iz ove teme:
https://www.rs-online.com/designspark/as...mption.pdf

[gorankg]

Zato sam napisao da ako ima interesenata da im ova "alatka" treba, i da se nekoliko nas udruže, ja mogu uraditi HW, donirati materijal za par prototipova da se uređaj razvije, šta god da na kraju odaberemo kao najbolju ideju a neko može da isprati sve to na PC računaru. Na kraju može ispasti veoma dobar uređaj koji bi naravno postavili kao OSH projekat na GIT-u foruma.

Ja sam se patio slično kao i ti mereći voltmetrom. Zainteresovan sam da razvijemo i tu sam da pomognem.

[gimba]

Ideja je vrh, ako mogu i ja nesto da pomognem, tu sam!

[npejcic]

Pokušaću da u toku večeri iscrtam moju ideju, sa manualnim podešavanjem opsega. Za sada idemo na minimum uA opseg. Pa možda za početak da krenemo od klasične postavke... Pišem uskoro

[npejcic]

Ok, evo preliminarne ideje. Kako bi proširili opseg nacrtan je DIP prekidač S1 i par otpornika oko njega.  Nisam zadovoljan ovim rešenjem, dodatno treba razrađivati taj deo jer pri opsegu sa 0.01R S1 unosi grešku. Takođe tok struje ne sme biti prekinut ukoliko se želi nesmetan rad u sleep modu u toku prebacivanja. Ovo su nedostaci koje sam uočio pa ovaj deo nemojte uzeti kao finalni...


  mikroAmpMeterV100_SCH.pdf (Size: 64,89 KB / Downloads: 20)

[Macola]

Evo stigoh tek sada na žalost (bio sam u gužvi a trebao mi je i preko sat ipo za ovo).

Pogledao sam šta su ti opsezi od interesa, na osnovu opisa i zaključio da ti je bitan vrlo precizan prvi opseg od:
0-5000uA (sleep reda uA, ili uvek registrovan na mrežu 2-5mA),
A drugi opseg bi bio od 0-2000mA kad raportira, koji je takođe precizan.

Iskoristio sam IV konvertor do 5mA, praktično bez pada napona, a odatle pa do 2A  preuzima šent od 20 milioma na kome pri 2A padne oko 40mV + pad napona na mosfet prekidaču od oko 5mV, tj. oko 45mV ukupnog pada pri 2A.
Naravno bira se niskonaponski mosfet sa par milioma Rds_on. Može biti sa standardnim gejtom na 10V pošto sam pobudu prilagodio na to radi minimalnog Rds_on za obe vrste gejta.

Sprava predviđa upotrebu jednog dvokanalnog 16bit ADC, koji može obezbediti više nego dovoljnu rezoluciju u oba interesna opsega. ADC kanal za viši rang sve vreme ima izveštaj o kompletnoj struji sprave, samo mu rezolucija bude sasvim dovoljna iznad 5mA, a ispod precizno radi low_range kanal i saturira na 5mA.
Svakako da treba birati kvalitetne op-amps sa malom bias strujom i malim ofsetom i bez zaštitnih dioda na ulazima, posebno one koji su komparatori i limiteri moraju biti bez tih dioda.
Ovo što sam nacrtao je princip rada naprave, gde treba poraditi na izboru op-amps i eventualno podesiti drugačije veličine opsega ili ulaznog opsega ADC. Odnosno, može se prepakovati i za druge opsege i limite.

Sprava je dakle autoranger sa dva opsega: 5000uA i 2A, limiterima na izlazima za ADC protiv overavanja, i indikatorskim izlazom kad je na višem rangu.

Moja postavka je za rad sa ADC  ulazima za max. 2V5 i limiteri izlaza za ADC su postavljeni na 2V50.
Informacija o prelasku na viši rang je 3V3 nivoa.
Eventualno se može dodati i bafer iza izlaza za viši rang ako ti nije dobro 2K2 izlazne otpornosti...

Na simulaciji je strujni izvor na mestu baterije i "kockica" na mestu DUT.
Mislim da to zadovoljava tvoje potrebe Nebojša.  

Evo simulacionog fajla i pdf fajlova za one koji nemaju LT Spice.


  2range_curr.asc (Size: 7,94 KB / Downloads: 7)


  2range_curr.pdf (Size: 10,82 KB / Downloads: 35)


  2range_curr_plot.pdf (Size: 11,75 KB / Downloads: 14)

[Dragan100]

Možda ovako:




10K uvijek je konektan tako da u Sleep modu imamo napajanje
Sleep mode ili min struja: S1A, S1B, S2, S3 neaktivni, S1C aktivan
INA138 odčitava napon na 10K

-Vo monitoriraš (ili AD_IN) i kad poraste napon do nekog Tresholda, aktiviraš S3
INA138 sad odčitava napon na 10K//(0R01+1R+100R), pa treba SW iskalibrirati

(mogu tu mosfeti umesto S1, ...S3, pa jih uklapaš MCUjem i translatorom napona da bude mosfet dobro u saturaciji
N-mosfet sa 15V, ili P-mosfet sa -10Vcca pošto su jim Source-vi na +3V3 Bus-u,
možda dodati na Gate-ove Fast turn OFF sklopič
ili translator napona {MCU out - Gate ON/OFF} kao Totem-pole)

poraste napon i uklopiš S2, S3 može i ostat uključen, Rds_on imamo recimo ranga nekoliko desetina ohma
sad INA138 odčitava napon na 10K//(0R01+1R), ?? SW Kalibrirati , možda ni netreba

poraste opet napon uklopiš S1A i S1B, onda izklapaš S1C, S2 i S3 mogu tako i ostati,
INA138 sad odčitava napon na 10K//(0R01), ? SW iskalibrirati

pa kad počinje napon opadati (na nekom definiranom donjem Tresholdu) S2 i S3 su več aktivni, uklapaš S1C, onda izklopiš S1A i S1B,

i redom kako napon Vo upada gasiš S2 i kasnije i S3 do Sleep moda

[npejcic]

Uh, sad sam baš u problemu

Oba rešenja mi se sviđaju. Hvala puno na predloženim rešenjima.

Macolino rešenje je prilično automatizovano, mnogo manje "razmišljanja" u firmware-u. Sa druge strane značajno više elektronike da bi se realizovalo.

Draganov-a dopuna rešenja su INA138 je jednostavna, stim da bih ja možda išao umesto FET-ova da postavim neki REED rele, značajno jednostavnije umesto FET-ova koje
treba rešiti oko pobude i uvoditi negativne napone itd... Promena opsega će se u praksi retko vršiti a reed releji mogu imati više miliona preklapanja, brzina preklapanja od par desetina ms će biti veći izazov i firmware-u nego u što rele može da preklopi? Ovde se dvoumim oko brzine preklapanja. Tog problema nema kod Macolinog rešenja.
Od reed releja recimo:
https://store.comet.bg/download-file.php?id=556
(150mohm redna otpornost)???
https://store.comet.bg/download-file.php?id=3321
(40mohm redna otpornost)???