如何测量极低功耗设备上的功耗？

这在过去的六五年中可能是个老新闻，但就今天而言，我指的是将吸收μA（uA）甚至nA电流范围的电子原型和设计。

一些最近的MCU，例如我正在使用atm的SAMD21，都配备了内部时钟，例如始终打开的超低功耗内部32kHz RC振荡器，其功耗仅为125nA，并且整个微控制器在STANDBY模式下仅消耗6.2μA的电流。带有实时RTC。

在这类静态电流和功耗级别中，台式测量设备（如万用表和示波器）的内部机械中的最小限制可能会给整体测量带来相当大的误差，甚至在诸如此类的情况下也能测量出平坦的错误值。当将万用表的分辨率从6位精度更改为8位精度时，继电器会触发。

测量此类应用的整体静态电流/功耗的最精确方法是什么？

更新：

正如我在答复中提到的那样，测量低电流虽然困难，但非常有可能，但是，我想到的是，要对总的电流消耗量做出结论，并得出所有功率消耗的实际数字。

我碰到了一些解决方案，例如宽范围的电流到变频器，但是本应用笔记中的宽范围仅限于最大200uA，在我的情况下，当我的无线电正在传输时，我的最大电流可能会升至毫安，并且当整个系统进入睡眠状态时，它降至3uA。

一种解决方案是使用仪表放大器来测量分流电阻上的电压降。这些设计旨在为放大器的两个输入提供极高的输入阻抗（超过1兆欧），同时允许您以较大的因数放大此信号（1000x并不罕见）。请注意，对于此特定应用而言，输入阻抗确实很高并不十分重要，但是高放大倍数却很重要。

基本原理图如下所示（我正在使用的IA是仪表放大器的独立包装；通常，它们都有一个外部增益电阻，因此您可以选择所需的任何增益）：

^{模拟此电路 –使用CircuitLab创建的原理图}

大的放大倍数使您可以使用相对较小的检测电阻，从而减轻了负载电压对DUT的很大一部分影响。

如果您只是想购买可以有效完成此任务的现成解决方案，则可以考虑使用uCurrent之类的方法。可能还为此电流范围设计了特定的IC。

由于此类电流传感器的输出只是相对隔离的模拟电压，因此可以使用任何标准示波器或电压表来测量电流。

这些非常简单的设备足以应付纳安和微安范围内的事物，并且相对易于使用。

对于更小的电流（皮安或伏安范围），有专门设计的芯片，例如LMP7721，以及几页关于低电流设计的应用笔记。您不太可能想要这样的东西来测量功率消耗。这些通常由科学界用于测量传感器输出（光电二极管/其他非常低电流的传感器）。

《 Microchip AN1416：低功耗设计指南》（第6页）指定了一种非常有趣且简单的解决方案，即使用所谓的“电容器方法”来测量非常低的电流静态功耗。

在已知电容器上设置已知电荷。然后，该电荷用于为被测设备供电。已知时间后，您可以从Dut断开电容器，并测量其残余电压。使用此增量和同一文档提供的公式，您可以估算一段时间内设备消耗的电流。

该文档还指出了使用哪种类型的电容器，以及如何计算电容器的泄漏电流。

在Microchip的文档下面。

http://ww1.microchip.com/downloads/zh-CN/AppNotes/01416a.pdf#utm_source=Facebook&utm_medium=Social&utm_term=Post&utm_content=MCU8&utm_campaign=Low+Power+Design+Guide

专业的解决方案是使用足够好的台式万用表。

我遇到了一些人，他们使用诸如500 000次测量/秒选件的Keysight 34465A之类的东西来测量平均电流消耗（<10µA）作为其软件开发例程的一部分。

一个现成的解决方案是CMicrotek的uCurrent，物有所值。我轻松测量了1uA电流。通过作用域，我可以看到应用程序的不同功能正在运行的时间。您可以将其连接到示波器或台式电压表。

我已经开发电池供电的IoT设备已有10多年了，并且根据我要实现的目标找到了多种方法来执行此操作。如果只是想找到静态系统的低睡眠电流，我希望保持设置相对简单，并使用大多数实验室中可以找到的常见项目，并使用基本的电气概念。请参考下图，选择一个感测电阻器（R1）值，该值在预期的电流消耗下大约为数百毫伏。即使在低电源电压下，这也将允许标准DMM获得相对准确的测量结果，同时仍然为DUT提供足够的电压。使用欧姆定律，您可以计算电流：I = V / R。使用最初的6.2 uA的预期电流值，检测电阻值为20k-30k（0.1至1％）就足够了。

在DUT需要初始化为低功耗状态的情况下，可以在检测电阻R1上放置一个短路跳线，直到维持低功耗状态为止。这将允许DUT汲取所需的电流，而不会引起过多的压降。一旦DUT达到预期的低功率状态，就可以移除短路跳线，并进行空闲电流测量。

尽管上述方法在静态条件下可以很好地工作，但在动态条件下却不能工作，尤其是在电池供电设备中通常会出现峰值电流的情况下，由于测量方法呈现出高阻抗。对于更新中描述的这些更现实的操作条件，您将需要一种能够在非常宽的动态范围（可能高达100,000：1（100mA降至1uA））内准确测量和记录电流的设备，以最快的速度捕获快速打开和关闭的过渡，并持续集成结果。

在我的早期，这总是花费大量的时间和精力。如此之多，以至于我决定创建一种专门为我处理的设备。查看以下链接：

更好的嵌入式工程电池能量估算器300