Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Stromverbrauch Microcontroller auf eigenem PCB


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von VV V. (vivi)


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Hallo,

ich habe ein eigenes PCB erstellt, auf dem ich meinen microcontroller 
CC2652R1 von TI laufen lassen kann. Die Anwedung beinhaltet das auslesen 
eines Sensors und das versenden der Daten über Bluetooth 4.0.

Ich habe den Stromverbrauch auf dem development board mit einem 
intergrieten tool genannt EnergyTrace gemessen.
Den Verbrauch meines eigenen PCB boards mit der selben anwendung habe 
ich über einen Wiederstand gemessen, dessen Spannungsabfall durch einen 
Verstärker mit dem Faktor 2000 verstärkt wurde. Die Spannung habe ich 
mit einen Oszilloskop gemessen welches eine Abtastrate con 2.4GSa/s hat.
Die Messergebnisse beider Messungen weichen besonders in den hohen peaks 
ab.
EnergyTrace misst ein maximalen peak von 11.40mA. Mit den Oszilloskpe 
erreich der höchste peak nur 9.73mA. Die baseline der beiden Messungen 
sind sehr gleich.

Woher könnte dieser unterschied kommen? Kann es an meinem PCB liegen? Es 
beinhaltet auch eine PCB Antenne mit einer Zuleitung die etwas länger 
ist als auf dem development board.
Welche weiteren Aspekte könnten zu niedrigern peaks geführt haben?

Über ein paar Anregungen, wäre ich sehr dankbar.

von tja (Gast)


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größere Kondensatoren auf der PCB. Eigentlich ist das Integral unter der 
Kurve genauso interessant. Es könnte ja sein, dass der Peek nicht so 
groß ist, dafür aber breiter. Somit bleibt die Energiemenge diesselbe.

von Gustl B. (-gb-)


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tja schrieb:
> größere Kondensatoren auf der PCB.

Exakt.
Wenn du die Kapazität an der Versorgung auf deiner Platine verkleinerst, 
also kleinere oder keine Kondensatoren, dann wird die Zeitauflösung 
besser. Im Idealfall kann man dann sogar sehen welche Leistung bei jedem 
Befehl benötigt wird. Und damit kann man dann auch erraten was die 
Befehle machen ohne sie zu kennen, 
https://en.wikipedia.org/wiki/Power_analysis .

Wenn du aber die Kapazität erhöhst, also größere Kondensatoren auf 
deiner Platine, dann werden die Spitzen weggefiltert. Du siehst dann am 
Ende nur einen Durchschnittsstrom. Wenn du also die 
Durchschnittsleistung messen willst, dann wäre das der Weg.

von VV V. (vivi)


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Hallo,

danke für eure Antworten. Die Kondensatoren sind vom Wert her die 
selben, wie auf dem development board. Der einzige Unterschied ist die 
Baugröße. Somit kann die größe der Kondensatoren, doch nicht 
ausschlaggebend für für den Unterschied der Messungen sein, oder?
Könnte es an dem Verstärker liegen? Oder am Layout den PCB?

von Wolfgang (Gast)


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VV V. schrieb:
> Die Kondensatoren sind vom Wert her die
> selben, wie auf dem development board.

Bestehen sie auch aus der selben Keramik und haben die selbe 
Nennspannung?

von VV V. (vivi)


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Das müsste ich jetzt für jeden einzelnen nachschauen. Was würden 
unterschiede in der Nannspannung oder der Keramik ausmachen?

von HildeK (Gast)


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VV V. schrieb:
> Was würden
> unterschiede in der Nannspannung oder der Keramik ausmachen?

Eigentlich nicht viel. ESR wäre ggf. ein Thema.
Aber so groß sind die Unterschiede doch gar nicht. Du hast zwar ein 
schnelles Skope, aber welche Bandbreite hat denn dein Messverstärker 
noch bei einer Verstärkung von 2000? Eine Beschränkung darin dürfte 
wesentlich mehr Unterschied machen als die (Keramik-)Ausführung der 
Kondensatoren ...
Wie unterscheidet sich dein Messaufbau von dem des Development Boards?
Welche zeitliche Dauer haben die Peaks?

von Wolfgang (Gast)


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VV V. schrieb:
> Das müsste ich jetzt für jeden einzelnen nachschauen. Was würden
> unterschiede in der Nannspannung oder der Keramik ausmachen?

Das ändert bei MLCCs die Kapazität - von Fertigungs-/Chargentoleranzen 
mal ganz abgesehen.

von Wolfgang (Gast)


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HildeK schrieb:
> Eine Beschränkung darin dürfte
> wesentlich mehr Unterschied machen als die (Keramik-)Ausführung der
> Kondensatoren ...

Der Messverstärker ist möglicherweise bei beiden Messungen der selbe ...

von VV (Gast)


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HildeK schrieb:
> Welche zeitliche Dauer haben die Peaks?

Sie unterscheiden sich minimal. ungefähr 0.2 ms.
Der Sceenshot zeigt links die Aufnahmen mit dem EnergyTrace tool, rechts 
mit dem Oszilloskop.

von Wolfgang (Gast)


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VV schrieb:
> Der Sceenshot zeigt links die Aufnahmen mit dem EnergyTrace tool, rechts
> mit dem Oszilloskop.

Und warum wunderst du dich da über unterschiedliche Peakhöhen?
Die Messkette bei der Messung mit dem Oszilloskop hat eine erheblich 
geringere Bandbreite, d.h. kurze Peaks werden flach gebügelt.

von VV V. (vivi)


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Wolfgang schrieb:
> Und warum wunderst du dich da über unterschiedliche Peakhöhen?
> Die Messkette bei der Messung mit dem Oszilloskop hat eine erheblich
> geringere Bandbreite, d.h. kurze Peaks werden flach gebügelt.

Ich kenne mich da leider nicht aus und wollte aber eine Erklärung für 
die Graphen finden. Deswegen frage ich hier ja nach um solche Sachen 
solche Aspekte zu erfahren. Könntest du es mir ausführlich erklären? Das 
wäre sehr hilfreich.
Somit heißt es, dass es dort wahscheinlich höhe peaks gibt, die nur 
nicht aufgenommen wurden? Oder was meinst du mit glattbügeln?
Somit kann ich nicht mit Sicherheit sagen, dass diese Peaks in 
wirklichkeit geringer sind?

Vielen Dank.

von Wolfgang (Gast)


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An den fallenden Flanken siehst du sehr gut, dass bei den Oszi-Messungen 
ein Ladungsspeicher im Spiel ist, der zu einem exponentiellen Abfall 
führt.
Die kleinen Peaks sehen darum beim Oszi auch wie Haifischzähne aus, 
während beim mit EnergyTrace gemessenen Strom die Flanken so steil sind, 
dass im Rauschen kaum eine Exponentialfunktion erkennbar ist.

p.s.Du könntest mal deine Zeitachse in den Graphen überarbeiten. ;-)
VV schrieb:
> Capture_Current_Consumption.JPG

von VV (Gast)


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Aber würde es heißen, dass es höhere peaks geben könnte, die durch den 
Speicher abgepuffert werden?
Was hat das mit der Bandbreite zu tun?
Also entspricht die Messung mit dem Oszi nicht dem, was mich wirklich 
erwartet?

Wolfgang schrieb:
> p.s.Du könntest mal deine Zeitachse in den Graphen überarbeiten.
Ich hab den Plot gerade nur sehr schnell erstellt um ihn hier 
hochzuladen. Nächstes mal bekommst du einen besseren Plot.

von HildeK (Gast)


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Wolfgang schrieb:
> Der Messverstärker ist möglicherweise bei beiden Messungen der selbe ...

Ist das so? VV V., da bräuchte man eine Antwort ...
Die Screenshots zeigen nämlich was anderes!

VV V. schrieb:
> Somit heißt es, dass es dort wahscheinlich höhe peaks gibt, die nur
> nicht aufgenommen wurden? Oder was meinst du mit glattbügeln?
Genau. Warum kann man erst sagen, wenn man beide Messschaltung kennt.

> Somit kann ich nicht mit Sicherheit sagen, dass diese Peaks in
> wirklichkeit geringer sind?
Nein, kannst du nicht.

Warum sind die Peaks so interessant für dich?

von HildeK (Gast)


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VV schrieb:
> Was hat das mit der Bandbreite zu tun?

Im linken Screenshot sieht man, dass da viele, schnelle Spitzen sind. Zu 
geringe Bandbreite = Tiefpassverhalten mitteln die schnellen Spitzen 
aus, so dass die feinen (=schnellen) Peaks fehlen. Damit werden die 
glattgebügelt, aber auch die schnellen tiefen Einschnitte werden 
glattgebügelt. Die Messeinrichtung kann diesen schnelleren Änderungen 
nicht folgen. Ist quasi wie Stoßdämpfer und Federung im Auto auf einer 
Holperstrecke.
Deshalb versuch ich ja dich zu überreden, dass du die beiden 
Messschaltungen bekannt gibst.

Wenn du das Integral über beide Kurven berechnen würdest, dann wäre das 
Ergebnis vermutlich relativ gleich.

von Wolfgang (Gast)


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VV schrieb:
> Nächstes mal bekommst du einen besseren Plot.
Die Achsenteilung mit 6 Strichen für 5 Millisekunden ist schon extrem 
gewöhnungsbedürftig.

VV schrieb:
> Aber würde es heißen, dass es höhere peaks geben könnte, die durch den
> Speicher abgepuffert werden?
Ja

> Was hat das mit der Bandbreite zu tun?
Im Wikipediaartikel zum RC-Tiefpass ist unter anderem die Lade- und 
Entladefunktion dargestellt. Die Zeitkonstante hängt direkt mit der 
Grenzfrequenz (hier = Bandbreite) zusammen.
Grenzfrequenz f_g = 1 / (2 Pi R C)
Sprungantwort U(t) = U_0 exp( -t / (R C))
https://de.wikipedia.org/wiki/RC-Glied

von Wolfgang (Gast)


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HildeK schrieb:
> VV V. schrieb:
>> Was würden
>> unterschiede in der Nannspannung oder der Keramik ausmachen?
>
> Eigentlich nicht viel.

Mmmh.
Je nach dem, wie weit die Nennspannung ausgereizt wird, sinkt die 
Kapazität bei manchen MLCCs Typen erheblich ab, z.B. bei Betrieb mit 
halber Nennspannung auf 30% für Y5V oder auf gut 50% für X7R.
https://www.niccomp.com/resource/files/ceramic/VoltageCoefficientofCapacitors-032012-R1.pdf

von VV V. (vivi)


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HildeK schrieb:
> Wolfgang schrieb:
>> Der Messverstärker ist möglicherweise bei beiden Messungen der selbe ...

Nein, bei dem EnergyTrace setup, habe ich keinen Verstärker 
zugeschalten.
Der Wiederstand mit dem Verstärker wurde bei der Oszi-Messung zwischen 
der Spannungsquelle und den Versorgungspin des Microcontrollers 
eingefügt.
Reicht das an infos zum Schaltreis? Er ist ja ansich sehr simple.

HildeK schrieb:
> Warum sind die Peaks so interessant für dich?
Ich dachte dass die Peaks aussagekräftig wären. Interessant ist für mich 
hauptsächlich der Durchschnittsverbrauch.

HildeK schrieb:
> Wenn du das Integral über beide Kurven berechnen würdest, dann wäre das
> Ergebnis vermutlich relativ gleich.
Das werde ich mal ausprobieren :)

von Wolfgang (Gast)


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VV V. schrieb:
> Der Wiederstand mit dem Verstärker wurde bei der Oszi-Messung zwischen
> der Spannungsquelle und den Versorgungspin des Microcontrollers
> eingefügt.

Und wo sitzt der Abblockkondensator für den Versorgungspin des µC?
Von der Spannungsquelle aus gesehen vor oder hinter dem Shunt?

von Peter D. (peda)


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Ein Unterschied von nur 17% ist doch hervorragend. Ein MC ist eben kein 
Präzisionswiderstand. Abweichungen zwischen den Chargen sind völlig 
normal.
Die Bauteile der Meßschaltungen werden auch Toleranzen haben und die 
Schaltungen unterschiedliche Temperaturen.
Auch haben die Zacken auf den beiden Bildern eine andere Periodendauer, 
d.h. da laufen 2 verschiedene Programme drauf.

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