Mit dem neuen digitalen Leistungsmonitor INA228 kann mein BattLab-One bis in den Nanoampere-Bereich messen

Zum Zeitpunkt des Verfassens dieses Blogs liegt der Strommessbereich des von mir verwendeten Leistungsprofilmessgeräts BattLab-One zwischen 10 Mikroampere (µA) und 500 Milliampere (mA). Während dieser Bereich eine gute Abdeckung für viele Mikroprozessoren bietet, arbeiten neuere Mikroprozessoren im Ruhezustand im Nanoampere-Bereich (nA). Die Messung von Strömen im Nanoampere-Bereich mit einer digitalen Leistungsüberwachungslösung hat sich als schwierig erwiesen.

Das BattLab-One basiert auf dem INA233 von Texas Instruments (TI). Diese dedizierte Komponente zur Strommessung misst Strom, Busspannung (viel höher als die Versorgungsschienen), Leistung und sendet Abtastdaten über I2C (oder SPI).

Ich habe mich aus mehreren Gründen für den INA233 entschieden, u. a. wegen seiner Offset-Spannung von maximal 10 Mikrovolt (µV), dem 16-Bit-Analog/Digital-Wandler (ADC), der programmierbaren Mittelwertbildung und Abtastraten sowie seiner I2C-Kommunikationsfähigkeit. Leider begrenzt der Bias-Strom des INA233 von 8 µA meine Stromerfassungsfähigkeit im unteren Bereich auf 10 µA. Zwar konnte ich einen Großteil des Bias-Stromfehlers herauskalibrieren, aber die 8 µA schränken meine Möglichkeiten ein, den Schlafmodus der neuesten Mikroprozessoren zu erfassen, die im Nanoampere-Bereich arbeiten.

Zum Glück für mich hat TI eine neue Ergänzung zu seiner digitalen Stromüberwachungsreihe herausgebracht, den INA228 (Abbildung 1). Der INA228 ist pinkompatibel zum INA233 und bietet einen deutlich verbesserten maximalen Eingangsvorspannungsstrom von 2,5 nA. Ja, nur 2,5 nA Eingangsbiasstrom! Das bedeutet bei der Messung eines 100 nA-Schlafstroms nur einen möglichen Fehler von maximal 2,5 %!

Abbildung 1: Der INA228 von Texas Instruments hat einen maximalen Eingangs-Bias-Strom von 2,5 nA im Vergleich zu den 8 µA des INA233 und ist außerdem ein 20-Bit-ADC anstelle von 16 Bit. (Bildquelle: Texas Instruments)

Der INA228 wurde ebenfalls auf einen 20-Bit-ADC aufgerüstet und verfügt über die gleiche I2C-Kommunikation (und eine SPI-Version) wie der INA233. Zusätzlich wurde beim INA228 die Offsetspannung auf maximal 1 µV abgesenkt.

Ein weiteres großartiges Merkmal der Power-Monitor-Lösungen von Texas Instruments ist die Trennung der Versorgungsschienenspannung und der Gleichtaktspannungseingänge für den ADC. Zusätzlich kann beim INA228 der Eingang zum ADC von plus/minus 40,96 Millivolt (mV) mit einem programmierbaren Bereich von bis zu plus/minus 163,84 mV liegen. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass kleinere Messwiderstände verwendet werden können, was wiederum den mit der Strommessung verbundenen Spannungsabfall verringert.

Der INA228 hat es mir ermöglicht, den Bereich der von mir verwendeten Strommessung bis auf 100 nA zu erweitern und den maximalen Gesamtfehler aufgrund der Eingangsvorspannung plus Offsetspannung auf weniger als 10 % zu halten. Tabelle 1 zeigt die INA228-fähigen Designparameter für das neue Produkt BattLab-One+.

Tabelle 1: Designparameter für das neue Produkt BattLab-One+, die u. a. den hohen Strombereich und den geringen Vorspannungsfehler zeigen. (Bildquelle: Doug Peters)

Nichts ist umsonst

In meiner Welt läuft also alles super, oder? Ich muss nur den INA233 gegen den INA228 austauschen, und alle meine Probleme sind gelöst. Nicht so schnell. Erinnern Sie sich, dass ich erwähnt habe, dass der INA233 ein 16-Bit-ADC und der INA228 ein 20-Bit-ADC ist? Sie haben es erraten; die gesamte Firmware basiert auf 2 Byte Daten pro Sample vom INA233. Der INA228 verwendet 3 Bytes. Das hat keine großen Auswirkungen, aber es bedeutet, dass bestehende Benutzer sowohl den neuen INA228 als auch ein Firmware-Update benötigen, um den Strommessbereich mit höherer Bandbreite zu erhalten (oder sie können einfach das neue BattLab-One+ kaufen, wenn es in ein paar Monaten auf den Markt kommt).

Es stimmt wohl, was man sagt: Nichts ist umsonst.

Fazit

Es steht außer Frage, dass die Entwicklung mit den digitalen Strommessprodukten von Texas Instruments das Leben sehr viel einfacher gemacht hat. Wie hier beschrieben, hat es eine natürliche Verbesserung des BattLab-One ermöglicht, da TI seine Stromüberwachungslösungen verbessert. In diesem Fall vom INA233 zum INA228.