Dynamische Strom- und Leistungsaufnahme exakt erfassen

Unser moderner Lebensstil wie auch Arbeits- und Organisationsabläufe in Industrie, Handel und Forschung werden zunehmend vernetzt. Hierbei dient die Infrastruktur des Internets als Plattform, um vielfältige Dienste anbieten zu können. Immer stärker rücken dabei Endgeräte in das Interesse, die mehr oder weniger sichtbar als dienstbare kleine Helfer oder Datensammler im Hintergrund agieren.

Vielfältige autarke drahtlose Endgeräte

Die technisch einfachen RF-ID-Chips begleiten aufgeklebt oder angehängt Produkte und Waren durch die Logistik. Solche Tags werden nur im Moment des Auslesens induktiv versorgt, sodass sie ihre ID per Radiosignal zurückschicken können. Funktionalität und Kosten sind bei diesem System niedrig.

Autonom funktionierende Sensoren und/oder Aktuatoren haben in der letzten Zeit an Popularität extrem zugenommen. Hier werden ein oder mehrere Sensoren mit einem Mikroprozessor, Speicher, RTC und einem Funkchip (WLAN oder Bluetooth) kombiniert. Durch eine Batterie kann das Gerät geraume Zeit autark vom Stromnetz funktionieren. Die Rechenleistung des integrierten Mikrocontrollers erlaubt es dem Gerät auch komplexe Funktionen zu erfüllen, unabhängig von einer Funkverbindung zu einer zentralen Instanz. Durch Abgleich/Download der Werte und Einstellungen einzelner Sensoren über Funk zu Datenbanken auf einem zentralen Server (im Internet) können die Messwerte vieler Geräte über längere Zeit ausgewertet werden. Prominente Beispiele hierzu sind mobile Telefone und Smartwatches sowie die unter dem Sammelbegriff Smart Home zusammengefassten stationären Geräte.

Die Vernetzung der Smart Homes mit den Energielieferanten und Endverbrauchern soll in Zukunft als Smart Grid zu einer wesentlich besseren Planung und Ausnutzung der Energienetze beitragen. Auch im Verkehr und hier allen voran im PKW werden autonom agierende Systeme wie das GPS (Global Positioning System) in Zukunft immer wichtiger.

Bei der Entwicklung batteriebetriebener Wearables sowie autonom arbeitender Smart-Home-Sensoren steht der Stromverbrauch im Fokus. Stromhungrige Systemkomponenten wie Transceiver oder Prozessorkerne werden individuell und nur bei Bedarf für einen kurzen Moment aktiviert. Den überwiegenden Teil der Zeit verbringen diese Komponenten im stromsparenden Schlafmodus. Fortschritte in der Schaltungstechnik, aber auch bei den verwendeten Materialien, haben die Leckströme und somit auch den Ruhestromverbrauch in den letzten Jahren sehr stark gesenkt. Hat ein Produkt das Stadium eines funktionierenden Prototyps erreicht, gilt es das geplante Leistungsprofil zu prüfen und gegebenenfalls zu optimieren.

Den dynamischen Stromverbrauch genau erfassen

Die extreme Dynamik des Stromverbrauchs von wenigen Pikoampere im Schlafmodus bis zu mehreren Ampere bei kurzfristig voller Aktivität muss für eine lange Betriebsdauer sorgfältig analysiert werden. Immer schneller getaktete Bauteile erfordern erhöhte Bandbreiten der Messtechnik, um auch unerwartete und unerwünschte kurzfristige Ereignisse (Glitches) zuverlässig erfassen zu können. Zudem müssen Ingenieure immer komplexere Aufgaben in immer kürzerer Zeit erledigen. Anwendungsorientierte Nutzerschnittstellen erleichtern dabei die Arbeit und führen schneller zu zuverlässigen Ergebnissen.

Zum Erfassen des Stromverbrauchs finden sich im messtechnischen Alltag verschiedene Lösungen. Die Source Measure Unit (SMU) ist eine präzise und flexible Mischung aus Quelle und Messgerät für Strom und Spannung. Viele Modelle haben einen Betriebsmodus, bei dem zum Beispiel der Stromfluss aus einer als Spannungsquelle eingestellten SMU als zeitlicher Verlauf dargestellt werden kann. Die Lösung ist kompakt – ein Gerät erfüllt beide Aufgaben. Die Messungen sind präzise und decken weite Strombereiche ab. Leider ist die Bandbreite einer SMU sehr beschränkt und das Benutzerinterface (wenn überhaupt vorhanden) bietet nur sehr einfache Darstellungs- und Analysefunktionen.

Prinzipielle Darstellung der klassischen Methode mit Netzteil und Oszilloskop. BSW

Das Digitalmultimeter (DMM) zusammen mit einer einstellbaren Spannungsquelle stellt eine weitere populäre Lösung dar, da diese Geräte zur Laborgrundausstattung gehören. Mehrere Geräte sind mit dem Prüfling zu verkabeln und die Messung meist auch mit selbst zu erstellender Software zu steuern. Hat man alles richtig gemacht, wird man auch hier (bei Auswahl hochwertiger Komponenten) mit einer hohen Auflösung belohnt. Die erzielbare Bandbreite ist gering und die Gefahr von unerwarteten Messfehlern sowie Messqualitätseinbußen durch Rauschen hoch.

Nicht genau genug mit dem Oszilloskop

Oszilloskope gehören ebenfalls zur Grundausstattung eines gut ausgerüsteten Labors. Was liegt näher als das vorhandene Gerät mit Tastköpfen oder Sensoren zu erweitern und dadurch auf kostengünstige Weise zu den gewünschten Ergebnissen zu kommen? Die meisten Hersteller höherwertiger Oszilloskope haben heute sowohl eine Reihe von differentiellen Tastköpfen als auch passende Stromzangen im Programm.

Mit einem differentiellen Tastkopf misst man den Spannungsabfall an einem im Strompfad integrierten Messwiderstand. Die Auswahl und Dimensionierung dieses Widerstandes im Hinblick auf die erhoffte Messauflösung und Bandbreite erfordert Erfahrung und die Bereitschaft zu experimentieren. Jeder neue Prüfling wird sehr wahrscheinlich Anpassungen an die Auswerteschaltung nach sich ziehen. Auch die Auswahl der passenden Tastköpfe stellt für Anwender eine Herausforderung dar. Die Stetigkeit und Genauigkeit des Verstärkungsfaktors und ein möglichst kleiner Offset sind entscheidend. Durch die heute bei den meisten Oszilloskopen gängige Auflösung von 8 und 10 Bit ist die Dynamik der erzielbaren Messungen sehr eingeschränkt.

Messungen mit Stromzangen nutzen die durch den Stromfluss hervorgerufene Induktion in eine Spule oder den Hall-Effekt. Für eine Messung muss der Strompfad nicht mit einem Shunt ausgestattet sein – die Messung geschieht durch rein mechanisches Anklemmen an der Zuleitung. Entsprechend können hier nur größere Ströme mit eingeschränkter Bandbreite gemessen werden.

Ein spezialisierter Current Waveform Analyzer

Eine große Speichertiefe und intelligente Darstellungskonzepte erleichtern das Aufspüren von Problemen bei zu hohem Stromverbrauch. BSW

Ein neues Konzept verfolgt der Device Current Analyzer. Dieser kombiniert das gewohnte Erscheinungsbild und Bedienkonzept eines Oszilloskops mit neuen Analysefunktionen. Die Geräte sind speziell abgestimmt auf hochdynamische Messungen des Strom- und Leistungsverbrauchs und des Leistungsbudgets. Einfach zu bedienende Assistenten unterstützen Anwender bei komplexen Messaufgaben, so etwa beim Erstellen von Leistungsprofilen und deren Auswertung. Die Ströme und Spannungen werden wahlweise mit 14 oder 16 Bit Auflösung abgetastet. Es stehen verschiedene Sensoren von 150 pA bis 10 A zur Auswahl. Der verwendete Sensor, der eingestellte Messbereich und die gewählte Einbindung in die Anwendung bestimmen auch hier die erzielbare Bandbreite, deren Maximum bei 200 MHz liegt. Zusammen mit einer maximalen Speichertiefe von 256 Mpts pro Kanal ergibt sich hier ein mächtiges Werkzeug zur zeitlich hochaufgelösten Analyse des Strom- und Leistungsverbrauchs, für die Suche nach unerwarteten Leistungsspitzen oder Leckagen und zur einfachen Messung von Leistungsprofilen.

Moderne batteriebetriebene Geräte integrieren zunehmend Funktionen in möglichst immer kleinere Bauformen. Zur Sicherstellung einer langen Batterielebensdauer ist eine sorgfältige Analyse und Verifikation der dynamischen Leistungsaufnahme unumgänglich. Altbewährte Messmethoden mit Digitalmulitmeter oder Oszilloskop stoßen bezüglich Genauigkeit schnell an ihre Grenzen und lassen sich von spezialisierten Messwerkzeugen wie dem Device Current Analyzer ablösen.

(jwa)