Một cảm biến không dây chạy pin CR2032 220 mAh phải sống ba năm. Phép tính rất đơn giản: dòng trung bình không được vượt quá khoảng 8 µA. Nhưng phần lớn thời gian con vi điều khiển nằm trong chế độ ngủ sâu, nơi nhà sản xuất công bố dòng tiêu thụ 250 nA. Muốn xác nhận con số đó — và tìm ra chỗ rò rỉ khi nó không đúng — bạn cần một phép đo dòng nghỉ nano-amp đáng tin, chứ không phải một chiếc đồng hồ vạn năng cắm nối tiếp vào đường nguồn.
Bài viết này đi vào bản chất vật lý của phép đo dòng cực nhỏ: vì sao đồng hồ thông thường cho kết quả sai, điện áp gánh phá hỏng phép đo ra sao, và quy trình nào cho ra con số dùng được để tính tuổi thọ pin.
Dòng nghỉ là gì và vì sao phép đo dòng nghỉ nano-amp lại khó
Dòng nghỉ (quiescent current, thường ký hiệu IQ) là dòng mà mạch tiêu thụ khi không thực hiện công việc hữu ích: vi điều khiển ở chế độ ngủ, bộ điều áp LDO không tải, cảm biến chờ ngắt. Trong thiết bị IoT chạy pin, dòng nghỉ nhân với thời gian ngủ thường chiếm phần lớn tổng năng lượng tiêu thụ, nên sai số ở đây kéo theo sai số tuổi thọ pin gần như tỉ lệ một-một.
Cái khó không nằm ở độ nhỏ của con số mà ở dải động. Cùng một mạch, trong một chu kỳ hoạt động, dòng có thể nhảy từ 250 nA khi ngủ lên 12 mA khi phát vô tuyến — gần năm bậc thập phân. Không có một dải đo cố định nào phủ hết cả hai đầu với độ phân giải cần thiết, nên thiết bị buộc phải chuyển dải, và chính hành vi chuyển dải mới là nơi phép đo hỏng.
Điện áp gánh: thủ phạm số một khi đo dòng ở dải đo thấp
Mọi ampe kế đều đo dòng bằng cách cho nó chạy qua một điện trở shunt rồi đo sụt áp trên đó. Sụt áp ấy — gọi là điện áp gánh (burden voltage) — bị trừ thẳng vào điện áp cấp cho mạch đang đo.
Hệ quả rất cụ thể. Một đồng hồ vạn năng để bàn ở dải µA điển hình dùng shunt cỡ vài kΩ. Với dòng 250 nA, sụt áp còn nhỏ; nhưng khi vi điều khiển thức dậy và kéo 12 mA, cũng shunt ấy tạo ra sụt áp lớn tới mức mạch bị “chết đói” và tự reset. Nếu đồng hồ tự chuyển sang dải mA để tránh điều đó, độ phân giải ở đoạn ngủ lại tan biến.
Đây là lý do các thiết bị chuyên dụng được thiết kế để giữ điện áp gánh ở mức không đáng kể. Dòng picoammeter/điện kế Keysight B2981B thuộc series B2980B giữ điện áp gánh dưới 20 µV ở dải dòng thấp nhất — tức là nhỏ hơn nhiều bậc so với ngưỡng gây nhiễu loạn cho một mạch 3,3 V. Cùng series này cho độ phân giải dòng nhỏ nhất 0,01 fA và các dải đo từ 2 pA đến 20 mA với 6,5 chữ số.
Nguyên tắc thực hành: trước khi tin bất kỳ số đo dòng nào ở dải đo thấp, hãy tra điện áp gánh của dải đó trong tài liệu kỹ thuật và so với ngân sách sụt áp mà mạch chịu được. Nếu không tra được, phép đo không có giá trị định lượng.
Ba lớp thiết bị: đồng hồ vạn năng, picoammeter và SMU
Đồng hồ vạn năng để bàn
Phù hợp khi dòng nghỉ ở mức trên vài chục µA và mạch không đổi trạng thái trong lúc đo. Ưu điểm là sẵn có và nhanh. Giới hạn là điện áp gánh lớn, không có nguồn cấp tích hợp, và tốc độ lấy mẫu không đủ để bắt chuyển tiếp ngủ–thức. Các nguyên tắc đo mức thấp tương tự cũng chi phối phép đo điện trở nhỏ, xem bài Đo điện trở nhỏ bốn dây: bù nhiệt điện động và kỹ thuật đảo dòng.
Picoammeter và điện kế
Đây là lựa chọn khi bài toán thuần tuý là “dòng rất nhỏ, ổn định”: dòng rò của tụ, dòng tối của photodiode, dòng tĩnh của một LDO. Series B2980B cho tốc độ đọc tới 20 000 số đọc/giây, giao diện đồ hoạ dựng được biểu đồ và biểu đồ tần suất ngay trên máy. Bản Keysight B2987B có thêm pin Li-ion tích hợp: chạy tách khỏi lưới điện loại bỏ hẳn vòng lặp nối đất và nhiễu tần số lưới — thủ thuật đáng giá khi sàn đo nằm ở vùng femto-amp. B2987B đồng thời là điện kế/máy đo điện trở cao, nguồn áp tới 1 000 V cho phép đo điện trở tới 10 PΩ.
Nguồn-đo SMU
SMU (source/measure unit) vừa cấp nguồn vừa đo dòng ngay tại một cặp đầu nối, nên nó là công cụ đúng cho bài toán dòng nghỉ của một thiết bị đang chạy: bạn cấp đúng 3,3 V và đo dòng mà thiết bị rút ra, trong cùng một khối, không có nguồn ngoài nào chen vào giữa. Keysight B2912B là bản hai kênh của series B2900B, với độ phân giải nguồn và đo nhỏ nhất 10 fA / 100 nV, dải tới ±210 V và ±3 A một chiều (±10,5 A ở chế độ xung). Hai kênh cho phép cấp nguồn chính và nguồn phụ trợ độc lập, hoặc đo đồng thời hai nhánh nguồn của cùng một bo mạch. Bản một kênh Keysight B2902B phù hợp khi chỉ cần một đường cấp.
Đo dòng động: bắt chuyển tiếp từ nano-amp lên milli-amp
Con số dòng nghỉ tĩnh chỉ trả lời được nửa câu hỏi. Nửa còn lại là dạng sóng dòng theo thời gian: mạch ngủ bao lâu, thức bao lâu, đỉnh dòng bao nhiêu, và quan trọng nhất — có “đuôi” nào mà firmware quên tắt hay không. Điện tích tiêu thụ mỗi chu kỳ, tính bằng tích phân dòng theo thời gian, mới là đại lượng quyết định tuổi thọ pin.
Quy trình thực dụng gồm bốn bước:
- Cố định dải đo thay vì để thiết bị tự chọn, nếu bạn chỉ quan tâm đoạn ngủ. Tự động chuyển dải sinh ra khoảng mù đúng vào lúc dòng đang thay đổi.
- Đặt thời gian tích phân (aperture) theo mục tiêu. Tích phân dài khử nhiễu lưới tốt hơn nhưng làm nhoè các xung ngắn. Với dòng nghỉ tĩnh, chọn tích phân theo bội số chu kỳ lưới; với dạng sóng chuyển tiếp, chọn tích phân ngắn nhất mà độ phân giải còn chấp nhận được.
- Ghi log liên tục qua chức năng lấy mẫu theo thời gian của thiết bị, rồi tính điện tích bằng tích phân số học, thay vì đọc một con số tức thời.
- Lặp lại phép đo ở vài mức điện áp cấp trong dải pin thực tế (ví dụ 3,0 V / 2,8 V / 2,4 V). Dòng nghỉ của nhiều LDO và cảm biến thay đổi rõ theo điện áp vào.
Lưu ý thực hành: những sai số không nằm trong tài liệu
Ở mức nano-amp, bố trí đo quan trọng ngang thiết bị đo. Bốn điểm hay bị bỏ sót:
- Vệ sinh bề mặt. Dấu vân tay và cặn nhựa thông trên PCB tạo đường rò cỡ GΩ, tương đương hàng nano-amp ở 3,3 V. Rửa sạch và sấy khô bo mạch trước khi đo là bước bắt buộc, không phải tuỳ chọn.
- Dùng vòng bảo vệ (guard). Đưa một dây dẫn ở cùng điện thế với đường tín hiệu bao quanh nút nhạy cảm sẽ triệt tiêu chênh áp trên đường rò, do đó triệt tiêu dòng rò. Cáp đo chuyên dụng có sẵn lớp guard — dùng đúng lớp đó, đừng nối tắt xuống đất.
- Chống rung cho cáp. Cáp đồng trục bị uốn hoặc rung sinh dòng do hiệu ứng ma sát điện. Cố định cáp và để hệ ổn định vài phút trước khi ghi số liệu.
- Chờ ổn định nhiệt. Dòng rò của bán dẫn tăng mạnh theo nhiệt độ. Một phép đo lúc mạch vừa cắm điện và một phép đo sau 15 phút có thể khác nhau đáng kể.
Cuối cùng, hãy tách bạch hai câu hỏi khác nhau: “linh kiện này rò bao nhiêu” và “sản phẩm này tiêu thụ bao nhiêu”. Câu đầu cần điện kế/picoammeter và bố trí chống rò cẩn thận. Câu sau cần SMU cấp nguồn thật và ghi log động. Dùng nhầm công cụ cho nhầm câu hỏi là nguyên nhân phổ biến nhất khiến số đo trong phòng lab không khớp với tuổi thọ pin ngoài hiện trường.
Chọn thiết bị Keysight cho phép đo dòng nghỉ nano-amp
Cây quyết định rút gọn:
- Cần cấp nguồn cho thiết bị và đo dòng động ngủ–thức: chọn SMU. B2912B khi cần hai kênh độc lập; B2902B khi một kênh là đủ.
- Chỉ đo dòng rất nhỏ, không cần cấp nguồn: chọn picoammeter B2981B.
- Sàn đo xuống vùng femto-amp, hoặc cần đo điện trở cách điện rất cao: chọn điện kế B2987B, chạy bằng pin tích hợp để cắt nhiễu lưới.
Kết luận
Đo dòng nghỉ nano-amp là bài toán của dải động và của điện áp gánh, không phải bài toán của số chữ số trên màn hình. Chọn đúng lớp thiết bị theo câu hỏi cần trả lời, cố định dải đo khi cần độ phân giải, ghi log động để tính điện tích, và xử lý dòng rò ở mức bố trí đo trước khi đổ lỗi cho thiết bị.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025, hiệu chuẩn được cả SMU và picoammeter/điện kế dải thấp. Để được tư vấn cấu hình đo dòng nghỉ phù hợp với sản phẩm của bạn, hoặc đặt lịch hiệu chuẩn, vui lòng liên hệ hotline 0908 173 345.
