BattLab-One, 새로운 INA228 디지털 전력 모니터를 통해 nA 단위 측정 실현

이 블로그를 작성하는 지금, 제가 사용하는 전력 프로파일링 소자인 BattLab-One의 전류 감지 범위는 10µA ~ 500mA입니다. 이 범위는 다양한 마이크로 프로세서에 적합하지만 새로운 초저전력 마이크로 프로세서는 절전 모드에서 nA 단위로 작동합니다. 디지털 전력 모니터링 솔루션을 통해 nA 범위로 전류를 측정하기는 쉽지 않습니다.

BattLab-One은 Texas Instruments(TI)의 INA233을 기반으로 합니다. 이 전류 전용 감지 장치는 전류, 버스 전압(공급 레일보다 훨씬 높음), 전력을 측정하고 I2C(또는 SPI)를 통해 샘플 데이터를 전송합니다.

제가 INA233을 선택한 이유로는 최대 10µV의 오프셋 전압, 16비트 아날로그 디지털 컨버터(ADC), 프로그래밍 가능 샘플 평균 및 샘플링 속도, I2C 통신 기능 등이 있습니다. 하지만 INA233의 8µA 바이어스 전류로 인해 최저 10µA의 낮은 범위에서 전류 감지 기능이 제한됩니다. 대부분의 바이어스 전류 오차를 보정할 수 있지만 8µA로는 nA 범위에서 작동하는 초저전력 마이크로 프로세서의 절전 모드를 포착하기가 쉽지 않습니다.

다행히도 TI의 디지털 전력 모니터링 제품군에 INA228이 새롭게 추가되었습니다(그림 1). INA228은 INA233과 핀 호환이 가능하며 입력 바이어스 전력이 최대 2.5nA로 크게 개선되었습니다. 입력 바이어스 전력이 겨우 2.5nA이고, 따라서 절전 모드에서 100nA 전력 측정 시 잠재적인 오차율이 최대 2.5%에 불과합니다.

그림 1: Texas Instruments INA228의 최대 입력 바이어스 전류는 2.5nA, ADC는 20비트입니다(참고로 INA233은 각 8µA, 16비트). (이미지 출처: Texas Instruments)

또한 INA228은 20비트 ADC로 업그레이드되었으며 INA233과 동일한 I2C(및 SPI 버전) 통신을 포함합니다. 그리고 INA228의 오프셋 전압은 최대 1µV로 낮아졌습니다.

Texas instruments의 전력 모니터 솔루션의 또 다른 장점은 공급 레일 전압과 ADC의 공통 모드 전압 입력이 분리되어 있다는 것입니다. 또한 INA228의 경우 ADC에 대한 입력은 +/-40.96mV, 프로그래밍 가능 범위는 최대 +/-163.84mV입니다. 이를 통해 더 작은 크기의 감지 저항기를 사용할 수 있어 전류 감지로 인한 전압 강하가 감소합니다.

INA228을 통해, 제가 사용하는 전류 감지 범위를 100nA까지 확장하고 입력 바이어스 전력에 오프셋 전압이 합쳐져 발생하는 총 오차율을 10% 이하로 유지할 수 있었습니다. 표 1은 새로운 BattLab-One+ 제품의 INA228 기반 설계 파라미터를 보여줍니다.

표 1: 새로운 BattLab-One+ 제품의 설계 파라미터를 통해 기타 특성과 함께 높은 전류 범위와 낮은 바이어스 오차율을 확인할 수 있습니다. (이미지 출처: Doug Peters)

세상에 공짜는 없다!

자, 모든 바람직한 조건이 갖추어졌죠? INA233을 INA228로 교체하기만 하면 모든 문제가 해결됩니다. 하지만 이것만으로 충분할까요? INA233은 16비트이고 INA228은 20비트라는 것을 기억하시나요? 모든 펌웨어가 INA233의 샘플당 2바이트의 데이터를 기준으로 한다는 사실을 추측하셨을 겁니다. INA228은 3바이트를 사용합니다. 큰 문제는 아니지만, 기존 사용자가 전류 감지 범위를 확대하려면 새로운 INA228과 펌웨어가 모두 필요하게 됩니다(또는 몇 개월 후 출시되는 새로운 BattLab-One+를 구매하면 됩니다!).

세상에 공짜는 없다는 말이 정말 맞는 것 같습니다.

결론

Texas Instruments의 디지털 전류 감지 제품을 사용하면 훨씬 편리한 설계가 가능하다는 것에는 의심의 여지가 없습니다. 이 글에서 소개했듯이 TI의 전력 모니터링 솔루션이 발전함에 따라 BattLab-One이 자연스럽게 개선되었습니다. 이 경우에는 INA233에서 INA228로 개선된 것이죠.