Come misuro basse correnti?

[Lucast85]

Ciao a tutti!
Ho la necessità di dover misurare, in un sistema embedded a microcontrollore, la corrente di perdita assorbita da un carico di valore teoricamente molto elevato.
Il carico è la sezione ADC (SAR) di un particolare circuito integrato che effettua delle misurazioni di tensione. Probabilmente sarà montata anche una rete RC (10kOhm-100nF) in ingresso a questo integrato per ridurre il rumore ad alte frequenze. Il circuito è il seguente:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

La corrente che vorrei misurare è "generata" da un op-amp di potenza in configurazione non invertente pilotato da un DAC. La misura verrà effettuata quando il carico (reale) è scollegato ed in uscita è presente solo l'integrato che effettua la misura di tensione con un ADC (quello che ho contornato in verdino/azzurro).
poiché la tensione in uscita dal power amp. sarà fra 3 e 4 volt, mi aspetto una corrente di perdita di qualche microampere.

La misura della corrente la faccio con la resistenza di "shunt" (Rs) in "high side".
Pensavo di utilizzare dei buoni current sense amplifier ad alto guadagno per limitare il valore della resistenza RS.
Ho ragionato a ritroso per trovare il valore di Rs più appropriato:
il current sense amp. ha un uscita massima di 3.6 V (che coincide con la Vref dell'ADC che misurerà la Ileakage); supponendo di prenderne uno che amplifichi di 200 volte la tensione differenziale al suo ingresso, ho che la tensione di ingresso massima deve essere di 3.6/200=18 mV. Da ciò deriva che, usando un ADC a 16 bit, la risoluzione di lettura della tensione ai capi della Rs è pari a 1.8 mV/2^16=274.66 nV. Ora, poiché desidero una risoluzione nella misura della corrente di circa 200 nA, posso finalmente ricavare il valore di Rs che è Vresolution/Iresolution= 274.66 nV/200 nA= 1.3733 Ohm.

Ciò che mi preoccupa è:

• il valore di Vresolution di 274.66 nV. Credo che qualsiasi piccolo rumore (ad es. dato dalla freq. di switching della sezione di alimentazione, il rumore termico, ecc.) vada a sommarsi alla tensione letta sulla Rs inficiando la misura o, meglio, riducendo la precisione della misura.
• La tensione di offset del current sense amplifier. Il datasheet di un tipico current sense amplifier riporta una tensione di offset che si aggira attorno a 50-100 uA dunque credo che non sarò neanche accurato nella misura.

Così pensavo di risolvere i due problemi così:

• faccio la media su un elevato numero di campioni elaborando i segnali convertiti dall'ADC. Devo però sperare che tutti i rumori siano a media nulla.
• misuro la tensione di offset prima delle misure col carico scollegato(tolgo la parte tratteggiata in verdino nella figura). In questa maniera la tensione ai capi di Rs dovrebbe essere nulla (o almeno la sua media su un lungo periodo) e dovrei misurare 0. Se non è così, significa che quello che misuro senza carico è la corrente di offset del current sense amplifier. Una volta nota questa tensione di offset in uscita, posso eliminarla a posteriori tramite firmware

Ci sono altre tecniche per la misura di questa corrente? Thanks

[IsidoroKZ]

Il valore della resistenza di sense e` opportuno che sia di 18mV/1uA= 18kohm.\, poi hai tutta la risoluzione che vuoi.

Con il conto che hai fatto l'A/D ti darebbe in uscita solo i valori 0, 1, 2, 3, 4 e 5 (*). Ha senso usare un AD a 16 bit per poi usare solo 5 codici?

(*) Il tutto solo con componenti ideali. MOLTO ideali e senza rumori vari.

Hai tenuto conto che se il valore della tensione varia (ad esempio c'e` rumore) cambia anche il valore che leggi con la resistenza di sense a causa del filtro RC che c'e` dopo?

Meglio descrivere che cosa vuoi misurare e perche' (non la soluzione ma il problema) e invocare DirtyDeeds, carloc, BrunoValente e gli altri misuristi analogici...

[Lucast85]

Con il conto che hai fatto l'A/D ti darebbe in uscita solo i valori 0, 1, 2, 3, 4 e 5 (*). Ha senso usare un AD a 16 bit per poi usare solo 5 codici?

Certo che no ;) Probabilmente ho sbagliato qualcosa io nei calcoli.

Hai tenuto conto che se il valore della tensione varia (ad esempio c'e` rumore) cambia anche il valore che leggi con la resistenza di sense a causa del filtro RC che c'e` dopo?

No, forse è il caso di filtrare con un RC all'ingresso differenziale del current sense amp?

Meglio descrivere che cosa vuoi misurare e perche' (non la soluzione ma il problema)

Riformulo il problema...

[*] edit: eliminata una domanda di chiarimento

[obiuan]

[...]supponendo di prenderne uno che amplifichi di 200 volte la tensione differenziale al suo ingresso, ho che la tensione di ingresso massima deve essere di 3.6/200=18 mV. Da ciò deriva che, usando un ADC a 16 bit, la risoluzione di lettura della tensione ai capi della Rs è pari a 1.8 mV/2^16=274.66 nV. Ora, poiché desidero una risoluzione nella misura della corrente di circa 200 nA, posso finalmente ricavare il valore di Rs che è Vresolution/Iresolution= 274.66 nV/200 nA= 1.3733 Ohm.

tralasciando che prima hai scritto 18mV, poi 1.8mV, il calcolo che hai fatto per la R non ha senso. Il ragionamento corretto è: qual è la corrente massima che vuoi poter leggere? quella corrente dovrà creare la massima caduta sulla R, quindi 18mV. Tu hai parlato di qualche microampere, diciamo 5? in quel caso, dovrà essere 18mV/5uA = 3.6kOhm. (IsidoroKZ ha fatto l'esempio con un range di 1uA).

In questo modo ottieni la risoluzione che vuoi..manca però la specifica di precisione: 200nA sono anche l'errore massimo?

[*]misuro la tensione di offset prima delle misure col carico scollegato(tolgo la parte tratteggiata in verdino nella figura). In questa maniera la tensione ai capi di Rs dovrebbe essere nulla (o almeno la sua media su un lungo periodo) e dovrei misurare 0. Se non è così, significa che quello che misuro senza carico è la corrente di offset del current sense amplifier. Una volta nota questa tensione di offset in uscita, posso eliminarla a posteriori tramite firmware[/list]

se il current sense ti da un 'offset fra 50uA e 100uA non lo puoi misurare in digitale, visto che il tuo range massimo l'abbiamo messo a qualche microampere. Se devi usare componenti con offset così alto, l'unica soluzione che vedo è compensarlo analogicamente prima di effettuare la misura.

Mi restano inoltre un po' di dubbi su quello che vuoi fare..più che altro non capisco il significato di quella misura...a meno che non sia un test di qualità in produzione per l'IC bordato di verde/azzurrino...

Attendo con interesse il tuo prossimo post con qualche spiegazione in più.

ciao
obi

[Lucast85]

Il ragionamento corretto è: qual è la corrente massima che vuoi poter leggere? quella corrente dovrà creare la massima caduta sulla R, quindi 18mV. Tu hai parlato di qualche microampere, diciamo 5? in quel caso, dovrà essere 18mV/5uA = 3.6kOhm. (IsidoroKZ ha fatto l'esempio con un range di 1uA).

In questo modo ottieni la risoluzione che vuoi..manca però la specifica di precisione: 200nA sono anche l'errore massimo?

In effetti ho fatto i conti senza conoscere la corrente massima. La risoluzione che vorrei ottenere l'ho intuita analizzando ciò che fa la concorrenza:

Each cell output additionally includes a high-precision current measurement system, which reaches a precision of +/-2µA at a resolution of 180nA.

. Piuttosto ho ragionato sul valore minimo (LSB) che mi consente di ottenere la risoluzione di 200 nA. Così ottengo una corrente massima misurabile di 200 nA * 2^16=13.1 mA da cui una Rs=18 mV/13.1 mA= 1.374 ohm. Giusto?

Per quanto riguarda la precisione: la famosa concorrenza pubblicizza +-2 uA; io vorrei fare altrettanto Per il calcolo credo che siano interessate la DNL e l'INL dell'ADC; poi cos'altro?

se il current sense ti da un 'offset fra 50uA e 100uA non lo puoi misurare in digitale, visto che il tuo range massimo l'abbiamo messo a qualche microampere.

Ora che riesco a misurarlo posso compensarlo in digitale come ho proposto? E' una buona strada?

a meno che non sia un test di qualità in produzione per l'IC bordato di verde/azzurrino...

eh... si...in effetti è uno strumento per il test in fase produttiva e per effettuare simulazioni HiL in fase di sviluppo di nuovi Battery Management System (non del singolo IC) per batterie al litio.
Vorrei misurare la corrente di leakage col il BMS in standby. Dato che questa corrente è la corrente che di perdita della singola cella al litio con batteria a riposo, analizzando tali perdite, si potrà prevedere la durata dell'intero pacco batteria quando essa non viene utilizzata.

Appena posso faccio uno schema più dettagliato.
Grazie 1000!!