Kontynuujemy artykuł o metodologii pomiarów poboru prądu z urządzeń IoT zasilanych bateriami. Podczas pomiarów posługujemy się wielokanałową sondą RT-ZVC02/04(A), wyprodukowaną przez Rohde & Schwarz.

Kryteria wyboru boczników

Używając urządzenia ZVC do pomiarów metodą bocznikową, należy zastanowić się nad odpowiednią wartością rezystora, która ograniczy niechciany spadek napięcia, jednocześnie utrzymując odpowiedni dla danego pomiaru stosunek sygnału do szumu.

Boczniki wewnętrzne i zewnętrzne

W sondzie RT-ZVC02/04(A) dostępne są trzy wewnętrzne boczniki, przełączane programowo (ZVCA dodatkowo ma możliwość automatycznego przełączania wzmocnienia).

Można zamiast tego zastosować zewnętrzny bocznik i ustawić wartość jego oporności dla bieżącego kanału. Wówczas ZVC działa z tym rezystorem na zasadzie woltomierza. Wartość zewnętrznej oporności można ustawić programowo i wówczas prąd będzie obliczany automatycznie.

Obie opcje, z bocznikiem wewnętrznym i zewnętrznym, mają swoje wady i zalety, których krótkie podsumowanie przedstawia tabela 2.

Tabela 2. Kryteria wyboru bocznika wewnętrznego lub zewnętrznego

Najważniejszym aspektem pomiarów prądu metodą bocznikową jest związek między bocznikiem R_S a rezystancją testowanego układu R_DUT, który powinien spełniać warunek R_S << R_DUT, w celu minimalizacji spadku napięcia na dodatkowym rezystorze. Inne istotne kryteria to pobór mocy, stabilność temperaturowa i dokładność wartości nominalnej rezystora.

Przy pomiarach wysokich wartości prądów lepiej jest skorzystać z zewnętrznego bocznika. Poniższy przykład powinien wyjaśnić tę kwestię. Załóżmy, że przy pomiarze dużego prądu wewnętrzny rezystor ustawiony jest na 10 mΩ. Przy tak niskiej wartości opornika, trzeba koniecznie pamiętać o oporze na złączach i pinach, ponieważ spadek napięcia może być zdecydowanie większy niż oczekiwano. Standardowo dołączany kabel AWG20 wykazuje zależność rezystancji od długości zgodnie ze wzorem ρ(l) = (41 + 0,33 * lcm) mΩ. Zwiększa to opór o 87 mΩ przy standardowej konfiguracji długości (l=8cm; R_con= 2 * ρ(8 cm)). W związku z tym, spadek napięcia jest w istocie dziesięciokrotnie większy niż oczekiwano (97 mΩ zamiast 10 mΩ).

W takim scenariuszu lepszym wyborem jest zewnętrzny bocznik, ze względu na wysoką impedancję 10 MΩ na wejściu woltomierza, co sprawi, że rezystancja złącz i kabli będzie zaniedbywalnie mała (por. rysunek 6).

Rysunek 6. Układ pomiarowy z zewnętrznym bocznikiem R_S. Bocznik w połączeniu z woltomierzem działa jak amperomierz. Należy uwzględnić rezystancje wewnętrzną baterii R_I przy obliczaniu całkowitego spadku napięcia

Wybór wartości oporu bocznika

W celu przeprowadzenia dobrego pomiaru, konieczne jest spełnienie dwóch przeciwstawnych wymagań:

1. 1. Stosunek R_S/R_DUT << 1, aby zmniejszyć spadek napięcia, a z drugiej strony
   2. Im wyższy spadek napięcia, tym lepszy stosunek sygnału do szumu.

Przy dobieraniu bocznika do pomiaru, pierwszym krokiem może być wyznaczenie przybliżonej rezystancji układu testowanego. Można w tym celu zastosować wewnętrzne oporniki ZVC i ustalić pobór prądu w trybie aktywnym, gdyż wówczas jest on najwyższy. Można z takiego pomiaru wyznaczyć rezystancję, jednak, ponieważ testowany układ zazwyczaj zawiera elementy aktywne, może to być jedynie wskazówka odnośnie jego faktycznej rezystancji.

Decydując o oporze bocznika można opierać się na doświadczeniu (np. przyjąć 1% wartości R_DUT) albo obliczyć wartość bocznika na podstawie maksymalnej dopuszczalnej wartości spadku napięcia przed samym układem testowanym.

Wewnętrzna rezystancja baterii i jej pojemność

We wcześniejszej dyskusji doboru odpowiedniego bocznika, wciąż nie uwzględniliśmy jednego parametru, tj. wewnętrznej rezystancji źródła zasilania R_I. Pod względem szumów, jednym z najlepszych źródeł jest zasilanie bateryjne, gdyż dostarcza czysty prąd, bez dodatkowych efektów takich jak sprzężenia z uziemieniem albo szumy z sieci energetycznej.

Sam jednak dobór baterii o niskiej rezystancji wewnętrznej jest dość dużym wyzwaniem. Przyjrzyjmy się baterii guzikowej CR2032, którą wykorzystamy również w jednym z przykładów w kolejnej części artykułu. Pomimo, że specyfikacja mówi o prądzie 220 mAh, ze sporym spadkiem napięcia wyjściowego mamy jednak do czynienia już powyżej ok. 180 mAh. Wewnętrzna rezystancja jest dość stabilna poniżej tego progu, zmieniając się od 18 Ω do 25 Ω. Jednak powyżej 180 mAh, wykres wewnętrznej rezystancji zaczyna stromo rosnąć.

Rysunek 7. Przykład rezystancji wewnętrznej baterii guzikowej

Można wyjaśnić kwestię zależności rezystancji baterii od obciążenia na przykładzie. Przede wszystkim ustalmy, że bateria CR2032, wg specyfikacji wytwarza 220 mAh prądu i 3 V napięcia. Następnie przyjmijmy, że w trybie aktywnym procesor układu pobiera 15 mA ± 2 mA prądu.

Prowadzi to do spadku napięcia o 0,3 V ± 0,04 V na rezystancji wewnętrznej, przy normalnej pojemności baterii (R_i ≈ 20 Ω). Nie stanowi to zagrożenia, jeśli procesor jest w stanie działać przy napięciu 2,0 V. Pod koniec życia baterii rezystancja wewnętrzna stromo rośnie i przy poborze 200 mAh wynosi już 45 Ω. Prowadzi to do spadku napięcia o ok. 0,68 V ± 0,09 V. Może się to wciąż wydawać akceptowalne, ale ze względu na dużą liczbę układów produkowanych do zastosowań w IoT, margines bezpieczeństwa, będący trzykrotnością odchylenia standardowego (~99,7%), jest już w pobliżu limitu 2,0 V (V_DUT = 3,0 V – (0,68 V + 3*0,09 V = 2,05 V)). Przykład ten pokazuje, że można liczyć na bezpieczne zużycie tylko 90% energii baterii.

Przy pomiarach prądu metodą bocznikową, należy więc zwracać szczególną uwagę na rezystancję źródła zasilania, zwłaszcza w przypadku baterii. Spadek napięcia nie może wzrosnąć powyżej wartości przy której układ testowany przestaje prawidłowo działać.

Wewnętrzne efekty testowanych układów

Wewnętrzne pętle sterowania mocą to kolejna rzecz, którą trzeba wziąć pod uwagę interpretując wyniki pomiarów. Głównym zadaniem pętli sterowania mocą w układzie jest dostarczanie stałej mocy wszystkim komponentom. Może to skutkować nieintuicyjnym efektem zmniejszania poboru prądu przy zmniejszaniu rezystancji bocznika. Odpowiadający tej sytuacji obwód elektryczny przedstawia rysunek 8.

Stała moc jest reprezentowana przez:

Ze względu na obniżoną wartość rezystancji R_S, spadek napięcia V_RS również jest mniejszy, co prowadzi do zwiększenia się napięcia na układzie testowym. Aby moc dostarczana do komponentów elektrycznych była stała, pętla sterowania obniża wielkość prądu.

Rysunek 8. Schemat układu pomiarowego z układem regulującym pobór prądu

Efekt ten jest odwrotnością tego, który ma miejsce przy pracy z układem działającym wyłącznie na zasadzie rezystancji (por. rysunek 6). W takiej sytuacji prąd zwiększyłby się w miarę zmniejszania całkowitej rezystancji.

Błędy stałe wynikające z konfiguracji układu pomiarowego

Są dwie możliwości podłączenia do układu testowanego sondy pomiarowej z bocznikiem. Zazwyczaj amperomierz podłączony jest po stronie zasilania (ang. high-side). Ma to tę zaletę, że badany układ ma kontakt z prawdziwym uziemieniem i możliwe jest wykrycie w nim za pomocą sondy potencjalnych zwarć do masy (por. szczegóły na rysunku 9).

Rysunek 9. Amperomierz z bocznikiem podłączony do układu po stronie zasilania

Wadą jest natomiast to, że zarówno dodatnie jaki i ujemne złącze wzmacniacza na boczniku jest wystawione na działanie napięcia wspólnego (zwanego także synfazowym, z ang. common mode current). Napięcie to (a wraz z nim także wynikający z niego prąd wspólny) jest zazwyczaj tłumione ale jakaś jego część pozostaje. Jest ona w stanie zdominować i całkowicie przesłonić prawdziwy prąd przy pomiarze bardzo małych jego wartości, np. w trybie uśpienia lub bezczynności. Mogłoby to nawet prowadzić do efektu „prądu ujemnego”, który zdawałby się ładować baterię zamiast ją rozładowywać. Aby uzyskać wiarygodne pomiary może być konieczne ręczne odjęcie prądu wspólnego.

1. Jeden z kabli zasilających zostaje podłączony do punktu pomiaru po stronie zasilacza tak, żeby napięcie zasilania było podane na amperomierz.
2. Napięcie wspólne należy podać na amperomierz:
   1. Drugi z kabli zasilających można pozostawić niepodłączony, wówczas układ badany jest wyłączony, lub
   2. Trzeba zewrzeć oba kable do linii zasilania i upewnić się, że układ badany jest wyłączony.
3. Należy zmierzyć średnią wartość prądu i odjąć ją w trybie Math od mierzonych prądów. W CMWRun można ustalić stały offset prądu bezpośrednio za pomocą interfejsu użytkownika (więcej szczegółów w kolejnych częściach artykułu).
4. Podłącz amperomierz poprawnie do układu badanego. Układ powinien być włączony a amperomierz podłączony.

Innym sposobem podłączenia amperomierza jest podłączenie po stronie układu (por. rysunek 10). Nie występuje wówczas wspomniany problem prądu wspólnego ponieważ jeden z pinów amperomierza jest uziemiony. Jednak sam układ nie jest już wcale uziemiony i spadek napięcia na boczniku może istotnie wpłynąć na poziom jego masy.

Co więcej, nie da się wykryć ewentualnego prądu zwarcia z masą, który omija bocznik a zazwyczaj jest wiele punktów z wyprowadzoną masą. Nie jest łatwo uzyskać dostęp do wszystkich z nich, a nawet jeśli się to uda, to uzyskane połączenie może nie dawać pełnego obrazu zjawiska.

Rysunek 10. Amperomierz z bocznikiem połączony po stronie uziemienia, względem układu badanego

Obciążenie pojemnościowe

Jeśli rezystancja układu badanego posiada część pojemnościową, to powstały w wyniku pomiaru wykres może stanowić zaskoczenie. Będzie on jednak całkowicie poprawny, gdyż rezystancja bocznika w połączeniu z pojemnością układu badanego zachowuje się niczym filtr dolnoprzepustowy.

Powstały zakres pomiarowy stanowi połączenie zakresu sondy (np. dla ZVC jest to zakres 1 MHz) i układu, który teraz posiada określoną częstotliwość odcięcia. Można ten zakres oszacować za pomocą poniższej formuły:

Jako przykład pokazujący ten efekt wybrano pomiar prądu rozsyłania ramki Bluetooth. Na początku w układzie badanym obecnych było wiele pojemności i powstały przebieg obfitował w typowe krzywe ładowania kondensatorów. Następnie kondensatory zostały wylutowane aby uzyskać „czystą” płytkę testową i jedynie pojemność 9,4 μF jest podłączana za pomocą przełącznika. Kiedy zostanie ona włączona, częstotliwość odcięcia układu badanego jest określona wzorem

Połączenie częstotliwości 1 MHz i 1,69 kHz skutkuje zdominowaniem całej konfiguracji pomiarowej przez dolnoprzepustowy filtr układu badanego.

Mierzony profil prądowy bez pojemności pokazano na rysunku 11. Zmierzony ładunek (jako Q = ∫ I(t)dt, czyli „obszar pod wykresem”) w oparciu o 33 przebiegi wynosi 59,4 μC.

Rysunek 11. Rozsyłanie ramki Bluetooth przy marginalnej pojemności. Przebieg prądu zostaje zapisany jako referencyjny

Dla porównania, przebieg prądu po ponownym włączeniu pojemności jest przedstawiony na wykresie 12. Po porównaniu z „czystym” wykresem, wyraźnie widać na nim charakterystykę ładowania pojemności.

Rysunek 12. Rozsyłanie ramki Bluetooth z podłączoną pojemnością 9,4 μF

Zmierzony teraz pobór ładunku wynosi 59,7 μC, czyli różni się tylko o 0,5% od czystego przebiegu. Ze względu na zachowanie ładunku w pojemnościach, taki przebieg wciąż może zostać wykorzystany przy pomiarze czasu pracy baterii.

Jak jednak widać na rysunkach, prąd szczytowy nie jest tak wysoki jak po usunięciu kondensatorów. Co więcej, nie widać wyraźnych zboczy sygnałów, przez co tracimy informacje o czasie wystąpienia zdarzeń.

Zaleca się zatem zmniejszenie pojemności badanego układu jeśli obserwowane są opisane powyżej zjawiska. Nie zawsze jest to jednak możliwe. W takiej sytuacji korzystnym może być zmniejszenie rezystancji bocznika (np. przez wykorzystanie zewnętrznego bocznika), aby zwiększyć częstotliwość odcięcia układu badanego.