Kako meriti mikroAmp/nanoAmp potrošnju

[Macola]

Znam šta te brine Dragane.

Tačno je to da će saturacija low range fluktuirati ako se nalazi na samoj margini od 5mA i ako postoji ripple u struji od na primer 5mA +- neki %.
Zbog ograničenog slew rate tog op-ampa pojaviće se maleni overšut u limitu, što nije problem jer na 3V3 tehnologiji je max. limit inputa ADC upravo tih 3V3, a ne samo 2V5.

Međutim, oblast preko par mA se sasvim dobro već posmatra sa high range izlaza i te fluktuacije nisu od značaja i taj nije maskiran u zonama oko 5mA.

Nije moguće drugačije rešiti preklapanje bez histerezisa, a i ako bi se uveo histerezis on bi takođe uneo maskiranost u svom opsegu.

Ništa ne brini, zonu od 5+-par mA lagodno posmatra high range.

[npejcic]

Ok, postavio sam poligon i desetak rupa 0.8mm.

Muči me samo jedna stvar: da li sam ovom izmenom poremetio tokove struja, jer sada je odmah jedan kraj otpornika RS vezan za Bottom GND plain?

[Macola]

Nisi. Čvorna masa baš tu i treba da bude.

[Dragan100]

Ako baš želimo da je GP vezan na ovaj poligon samo u jednoj tački,
preslikan poligon donje strane PCBja okolo distanciraš od GP, vežeš samo na jedan ThroughPad tog poligona.

+IN struju od Mosfeta trebali bi nekako podvuč ispod putanje koja ide do -IN
da napravimo što manju površinu tog loop-a pogotovo kod jakih struja

recimo:
-IN pustiš na ovoj strani, napraviš još malo poligona, preslikaš ga još na donju stranu, metneš ThroughPad-ove
onda Rsense i mosfet, izmedju takodjer double-face poligon sa ThroughPad-ovima,
mosfetu dodajemo takodjer double-face poligon sa ThroughPad-ovima, neka se i on hladi...
onda se vračamo prema +IN što je moguče ispod ove gornje putanje!

Dok pišem več bi ti nacrtao ovako :-)


 

Možeš jednu liniju ThroughPad-ova premestiti prema desnoj, i ugurati donju putanju do +IN takodjer što više desno!
Vidi odakle sam uzeo onda konekciju za donji GroundPlane

[Dragan100]

Simulacija TinaTI AutoRange LOW-HIGH Current monitoring



Signal 100Hz, 10mApp signal DUT
Izlaz I-V konvertera ima još dovoljno validnih data,
aktivacija limitera ADC_LowR i maskiranje tih podataka.

ADC_HighR nisam još postavio,
naravno tu imamo na toj liniji uvijek dostupan validan data, takodjer i kod low level signala.
Postavio sam i masu TestPoint-a, za debuging (i u simulatoru) kasnije lakše dostupno ako jih predvidimo, može samo TroughPad pa je lako "onda pipalicom u rupicu", neče da beži!

Dodajem još ADC_HighR odčitavanje...

  Macola LOW -HIGH Auto Range.TSC (Size: 3,94 MB / Downloads: 1)

[Dragan100]

Preuredio sam malo limiter, sad se brže relaksira, i pojavlja se overshoot na kojeg je Macola napomenuo.
Neide više od 3V3, ali može se na izlazu postaviti još dodatna diodica i zenerica u seriji, za peakove više od tih 3V3
recimo BAT85 (ili pak koju več imamo u BOM) + zenerica 2V7, skupa smo na cca 3V0 - 3V2
diodica dodana zbog manje kapacitivnosti koju dodajemo liniji.

Simulacija je na 1KHz, prije mi je limiter "brljavio" i kod nekoliko desetina Hz!

[npejcic]

Trenutno status, a taman sam nešto uspeo da uradim oko poligona oko RS, kad evo još izmena

Ali to je normalno u tehnici...

Nisam siguran da ću danas stići da radim na ovoj PCB, a planirao sam večeras da ih pustim na izradu. Cele nardende nedelje ću biti u gužvi oko posla. Da li da idemo sa ovom revizijom koju prilažem a da za kasnije uradimo sva neophodna merenja i optimizacije na samom hardveru ili da implementiram obavezno Draganove poslednje izmene? Inače ideja mi je da PCB budu kod mene pre praznika, tako da mi je danas dead-line za slanje na izradu?! Šta mislite?





Ovo su električne šeme u PDF formatu:


  mikroAmpMeterV140_AnalogFrontend_SCH.pdf (Size: 77,07 KB / Downloads: 10)
  mikroAmpMeterV140_MainBoard_SCH.pdf (Size: 74,25 KB / Downloads: 7)

I konačno ovde imate Eagle brd i sch fajlove:

  mikroAmpMeterSet_PCBSCHV1.4.ZIP (Size: 280,02 KB / Downloads: 1)

[Macola]

Nebojša,

Nisam bio do sada na liniji.

Uvek je bolje odložiti izradu nego posle seckati već plaćenu pcb...

Pojavljuju se novi zahtevi ka povećanju brzine merenja kod ovog sklopa, koji je bio predviđen za spora merenja.
Verzija koja bi koristila OPA187 je verzija za spora merenja jer OPA187 ima slew rate tek 0.2V/uS.
Automatski i limiteri rade sporije i mogu imati izvestan overšut kod brže pobude.

Obzirom da novi zahtevi o brzom sklopu imaju smisla jer jako proširuju mogućnosti merenja naprave, predlažem da odmah u startu napravimo krupniju izmenu koja će rafinisati sklop na takav način da se prema potrebama potrošača može koristiti i kao spori i kao brzi.

Ako ti nije teško da sačekaš crtanje te revizije, nacrtaću to u roku od 1h.

[Macola]

Na žalost, imao sam nekih obaveza i samo sam na trenutak svratio. Posle opet moram ići.
Moraće to sačekati...

[npejcic]

Ok, evo i mene. Nema frke... onda da sačekamo.

[Macola]

Pošto je pao predlog za ubrzanje merenja, najviše zahvaljujući korisnim sugestijama @Dragan100, evo nekih radikalnijih izmena koje su vezane za ubrzanje merenja ovom spravom.

Merenju je inače ograničena brzina zbog slew rate op-amps i to ne možemo prevazići na drugi način osim da nađemo još brže op-amps.
Zato u startu predlažem upotrebu OPAx189 koji ima slew rate 20V/uS, umesto OPAx187 sa 0.2V/uS.
Taj op se (bar u Mouser) ne može nabaviti u 4xop verziji pa zato predlažem izmenu pcb na tri dualna op.
To dodatno pruža mogućnost za mešanje vrsta op-amps po nahođenju.

Morao sam dosta stvari izmeniti jer je ovo malo drugačija priča i svi zahtevi jako rastu sa porastom brzine merenja. Pri tom sam se potrudio da cena ostane u približnim okvirima, taođe i komplikovanost pcb.
Proširio sam opseg aktivnog šenta na 8mA i tu mu ograničio swing radi bržeg oporavka kod opadanja struje.
Takođe sam primenio metodu ograničenja swing i komparatorima limiterima, jer nema boljeg načina za dobijanje veće brzine sa datim SR. To im daje osobinu najbržeg oporavka iz suprotnog stanja (@Dragan100).
Ograničenje swing na dovoljan je inače odlična metoda za te stvari i videćete ovde primer korišćenja toga i ukrštanje metode sa indikacijama saturacije oba opsega.
Naime, više nemamo direktnu LED indikaciju na komparatorima jer su pelete LED široke i imaju veliki recovery naboj koji jako usporava komparatore. Umesto toga imamo tranzistore koji daju digitalnu info za oba kanala kao NOT stanje saturacije. Dakle, dok su indikatorski izlazi visoki taj je izlaz upotrebljiv i nije u saturaciji.
Ti tranzistori su dvojako iskorišćeni: emiter-baza igra ulogu klamp diode, dok kolektor -emiter igra ulogu uobičajenog tranzistora.
Nema više specijalnog drajvera jer ulazni mosfet sada meko uključuje kad napon na aktivnom šentu bude veći od oko 10mV, što će se dogoditi onog momenta kad aktivni šent uđe u namerno kontrolisanu saturaciju.
Opseg aktivnog šenta je širi, upravo zbog glatkog uključenja mosfeta sa raznim brzinama i otklanjanja uticaja raznih vremenskih kašnjenja na izlaz low-range.
Low range je i dalje 0-5000uA za 0-2.5V i klampovan kao i pre na 2V5, high-range takođe kao pre.

Kada neki od izlaza nije u saturaciji, tj. kad je upotrebljiv, stanje indikatorskog izlaza je H.
Treba i dalje pratiti oba izlaza, pri čemu imamo izveštaj kad nam je low-range koristan i kada je prekoračen opseg čitave sprave na izveštaju saturacije high-range.

Nemam Tina TI ni model OPAx189 te sam upotrebio približni LT1037 u simulaciji (SR je 11V/uS kod njega).

@Dragan100,
Ako budeš imao vremena i ako ti nije teško, molim te provuci ovo kroz Tina TI sa modelima OPAx189.
Tvoje sugestije su mi jako bile korisne u ovoj priči.
Ujedno ćemo biti sigurniji da će ovo raditi kad prođe dve različite simulacije.

@Nebojša, verujem da ćeš se snaći sa novom šemom.
Evo novog oblika sprave i raznih simulacija (nisam se držao starih brojeva oznaka komponenti jer nisam imao vremena):


  2range_curr_2_2.pdf (Size: 12,13 KB / Downloads: 38)


  2range_curr_2.asc (Size: 8,65 KB / Downloads: 9)


  2range_curr_2_2_10mA_1KHz.pdf (Size: 50,68 KB / Downloads: 17)


  2range_curr_2_2_100mA_100Hz.pdf (Size: 42,9 KB / Downloads: 11)


  2range_curr_2_2_2200mA_10Hz.pdf (Size: 49,36 KB / Downloads: 13)

[mikikg]

@Macola

Da li je dovoljno niska izlazna impedansa za ADC_lowR i ADC_highR tako da ide direktno u ulaz od A/D (u STM32) ili ipak mozda mora da se stavi jedinicni buffer?

[Macola]

Jeste.
Oba izlaza su tolerantni na kapacitativno opterećenje pa se može staviti neki C direktno na ulaze ADC. Taj, vrlo poželjan, C ima ekstremno nisku impendansu u periodima semplovanja.
.

[mikikg]

Hmm, sad nesto razmisljam, da bi to lepo radilo mora i kod MCU dela da se stavi referenca ako koristimo interni A/D, jedna referenca vise (nebitno) ali smo tako onda i dalje limitirani na 12bit (ili oversampliing) sto i nije bas sjajno resenje jer nam analogni deo vec pun referenci i moze da radi to mnogo bolje od 12bit!

Predlog je da se u analognu sekciju odmah postavi i A/D konverter, tu da se iskoriste postojece reference i da se to na nivou SPI galvanski izoluje pa to onda moze da ide bilo koji MCU
Sta mislite o tome?

EDIT: Videh da je u novoj shemi ostala ustvari samo jedna referenca, dovoljno, samo ona i treba, ona se bufferuje i to ide dodatno u A/D i to je vec mnogo bolja varijanta gde mogu da se garantuju neke karakteristike uredjaja, sa externim A/D (van plocice) vec iskacu drugi problemi.
PS: Naravno ostaje Analogni izlaz sa te plocice pa ko nadje bolji A/D od onog sto stavimo na tu plocicu neka ga slobodno prikljuci

[ddanijel]

Dobra ideja +1

[npejcic]

Moja ideja je, a tako je i realizovano, sa donje PCB gde je Analog Front-end, na gornju se vodi 2.5V Vref! I vodi se direktno na VDDA pin mikrokontrolera. Pored samog mikrokontrolera postavljen je 1uF kondenzator. Ovo bi trebalo da je dovoljno da izvučemo maximum od internog ADC-a. Naravno druge platforme takođe mogu koristiti ovu Vref sa donje ploče, ili ugraditi svoju naponsku referncu po želji.

Externi ADC je naravno moguć, ali ne bih imao vremena da radim tu reviziju u ovom trenutku.




P.S: Inače, MCU Board je već poslata na izradu, tako da menjamo samo donju ploču, odnosno Analog Front-end.

[mikikg]

Nisam ni mislio da se menja trenutna postavka sto se tice PCB, ovo sa A/D je "branch" na verziju sa analognim front-end.

Kako god da se okrenemo nama treba dobar A/D konverter, ne samo za ovaj projekat, ovo je vec 3. ako dobro brojim gde nam treba A/D

Trebamo otvoriti jednu temu posebnu samo za A/D koji se kaci na PC, tu da se upotrebi ADS127L01 i da se izabere jedan FTDI sa USB-C interfejsom, to samo da se poveze i skocka na jednu PCB, low-noise 4-slojna i mi smo zavrsili mnogo dobar deo posla sa tim!

[npejcic]

Kad smo kod branch-a
@mikikg Javi mi na PM kako da ubacimo ovaj projekat na forumski GitHub

[mikikg]

Samo mi posalji tvoj email koji koristis za GitHub i onda pokrenem "Invite members to YU3MA Forum".

PS: Poziv vazi za sve clanove koji hoce da se prikljuce GitHub grupi i postave svoje radove.

PS2: Nebojsa, moramo malo za ostale clanove da objasnimo sta je "push-pull" u GIT terminologiji i kako pomocu jednog click (ili shell komande) se updejtuje projekat sa svim fajlovima!

[npejcic]

Postavljen je tekući projekat na GitHub:
https://github.com/yu3ma/mikroAmpMeter

To je verzija 1.4, znači nije poslednja koju je Macola postavio. Ali idemo redom, od ove pa na dalje kako budem šta radio i oživljavamo sve će ići na GIT...

Miki, GIT je malo nezgodan za razumevanje neprogramerima
Slažem se da je potreban kratak tutorijal.

I ja lično imam raznih situacija i nedoumica, ali nadam se da ću se dovoljno dobro snalaziti za naredne push-ove.