Mess- und Prüftechnik / Feldmesstechnik

In-situ-Validierung von Energy-Harvesting

20. Juni 2017, 14:29 Uhr | Lukas Sigrist et al., Institut für Technische Informatik und Kommunikation (TIK), ETH Zürich

Fortsetzung des Artikels von Teil 4

Vergleich mit bisherigen Lösungen

Der RocketLogger erfüllt die Anforderungen für Langzeit-in-situ-Messungen an Leistungs- wie Umgebungsdaten in Harvesting-Systemen, mit einem Spagat zwischen Messperformanz, Tragbarkeit und Funktionalität. In den Punkten Performanz und Tragbarkeit ist er zwischen stationären Lösungen und Embedded-Power-Loggern einzuordnen, wie der Vergleich in Tabelle 1 zeigt. Darüber hinaus bietet der RocketLogger Schlüsselfunktionalitäten weit über die Marktlösungen.

Charakterisierung der Performanz

Setup & Kalibrierung

Vor der Performanzanalyse wird der RocketLogger kalibriert. Die linearen Kanäle werden dabei auf Offset und Verstärkung geeicht. Das leistet eine Keithley-2450-SMU, mit stufenweiser Strom- und Spannungseingabe: 2-mA-Schritte für hohe Ströme, 20-μA-Schritte für niedrige Ströme, 100-mV-Schritte zur Spannungskalibrierung. Die Kalibrierungs-Messung wurde mit MATLAB analysiert und für jeden Strom- und Spannungswert, zur Evaluierung kanalspezifischer Kalibrierungsparameter, gemittelt. Die Performanz wird anhand dreier Metriken für Strom- und Spannungskanäle bewertet: Messpräzision, Grundrauschen und Bandbreite.

Zusätzlich wird die Umschaltzeit und der Eingangsspannungsabfall für den Strommesskreis, sowie der Eingangsleckstrom für die Spannungskanäle, bestimmt. Die Präzisionsmessung erfolgte ebenso mit der SMU. Das Rauschniveau wurde unter NULL-Eingangsspannung/-strom bestimmt. Die Charakterisierung der Kanalbandbreite erfolgt mit dem Agilent 33600A Signalgenerator, bei Frequenzen von 0 kHz bis 50 kHz, sowie Amplituden von 40 mA und 1 V. Tektronix MSO4104B misst Schaltzeit und den transienten Spannungseinbruch in Stufen von 0 mA bis 500 mA.

Performanz der Spannungsmessung

  • DC-Präzision - Die Präzision der Spannungsmessung wurde 24 Stunden nach Kalibrierung mit den gleichen Spannungsschritten über den gesamten Messbereich erfasst und die gemessenen mit den Referenz-Werten verglichen. Die Messpräzision entspricht 0,02 % +13 μV.
  • Untergrundrauschen - Unter NULL-Eingangsbedingungen misst das Untergrundrauschen bei 1 kS/s 5,9 μVRMS.
  • Bandbreite - Die analoge Bandbreite wurde im Frequenzbereich von 0 Hz bis 50 kHz evaluiert. Im Ergebnis entspricht die Bandbreite der des spezifizierten A/D-Wandler-Tiefpassfilters: Bei 64 kS/s beträgt die -3 dB-Frequenz 10 kHz. Bei 1 kS/s reduziert sich die Bandbreite auf 262 Hz.
  • Eingangsleckströme - Bei der maximal möglichen Eingangsspannung von 5,5 V beträgt der Leckstrom etwa 5 pA, das entspricht einer Eingangsimpedanz von 1 TΩ.

Performanz der Strommessung

  • DC-Präzision - Mit dem analogen Messaufbau zur Strommessung beträgt der Fehler lediglich 0,03 % ±4 nA im niedrigen und 0,09 % ±3 μA im hohen Strombereich.
  • Rauschuntergrund - Unter NULL-Eingangsbedingungen beträgt das RMS-Rauschen bei 1 kS/s im niedrigen und hohen Spannungsbereich 1,33 nA bzw. 1,34 μA.
  • Bandbreite - Die –3 dB Frequenz bei 64 kS/s beträgt 9,5 kHz. Bei niedrigeren Abtastraten entspricht die Bandbreite wieder der des A/D-Wandlers, 262 Hz bei 1 kS/s.
  • Spannungseinbruch - Die Strommessbereiche zeigen lineares Verhalten über den gesamten Messbereich, mit dem 53-mV-Maximum bei 500 mA. Das entspricht einer Impedanz von 106 mΩ.

Umschaltzeit

Mit nur 1,4 μs nach Schaltschwellereignis schaltet der MosFET vom niederen in den hohen Strommessbereich. Damit antwortet der Schaltmechanismus im Front-End eine Größenordnung schneller als das Abtastintervall der höchsten Tastfrequenz. Der Spannungsabfall in dieser kurzen Zeit bewegt sich unterhalb von 185 mV für Ströme bis zu 100 mA, sowie 430 mV für maximale Stromimpulse bis 500 mA.

Zusammenfassung

Tabelle 2 fasst die Charakteristika des RocketLoggers mit zusätzlichen Werten für die höchste Abtastrate zusammen. Mit der gezeigten Präzision, dem großen Dynamikbereich und nur 103 mm x 68 mm Formfaktor, schließt der RocketLogger die Lücke zwischen performanten Laborgeräten und ganzheitlich eingebetteten Messschaltungen. Damit können Harvesting-Lösungen über den gesamten Entwicklungsfluss evaluiert werden.

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