Понимание изменения потребления тока Arduino по отношению к напряжению питания

Question

Понимание изменения потребления тока Arduino по отношению к напряжению питания

Несмотря на то, что это уже широко обсуждаемая тема, я не смог найти обширного обсуждения того, что на самом деле потребляет столько энергии от платы Arduino.

Вот преамбула: у меня есть Arduino Mega 2560, я измерил его энергопотребление в установившемся режиме с включенным красным светодиодом с последовательным резистором 560 Ом. Источник питания (Vcc) подавался на Arduino с контакта Vin, а измерения были следующими (ниже схемы):

30 мА при Vcc = 5,2 В;
65 мА при Vcc = 8,3 В.

Условие проверки

Я хотел бы понять следующее:

С точки зрения аппаратного обеспечения я не понимаю, что потребляет весь этот ток на плате Arduino;
Почему ток, потребляемый от источника питания, так сильно меняется в зависимости от значения источника питания (т. е. какая часть платы изменяет свое потребление в зависимости от значения источника питания);
Также кажется, что при включении светодиода через цифровой выход Arduino потребляется более высокий ток при более высоком источнике питания (Vcc). Это почему?

Обратите внимание, что, просмотрев техническое описание ATmega2560, UC, установленного на моем Arduino, я увидел, что ток Icc, потребляемый от источника питания, составляет макс. найти условия испытаний, к сожалению). Я думал, что микроконтроллер был основной причиной энергопотребления, но это не так!

Еще одна вещь, которую я рассматривал, это встроенный LDO, но входное напряжение должно изменять мощность, рассеиваемую LDO, а не ток, потребляемый с его выхода.

Еще более странно, если подумать, что вне зависимости от Vin вся электроника после LDO работает на одном напряжении.

ОБНОВЛЕНО

После того, как Маженко указал в своем ответе на большой недостаток в моей настройке, я провел повторные измерения с Vcc = 12,1 В и измерил примерно тот же Icc, что и при Vcc = 8,1 В. Я полностью согласен с ответом Маженко, и я просто хотел бы немного подробнее остановиться на том, что происходит, когда плата работает под напряжением.

Вот мой анализ:

Минимальное рабочее состояние при питании от Vin составляет 7 В, и это точка «колена» в ответе Маженко.

Тем не менее, максимальный ток покоя LDO составляет 10 мА, а Icc ATmega2560 — 15 мА, поэтому, даже если предположить, что они не потребляют ток при Vcc = 5,2 В, а затем вместе потребляют 25 мА как минимум рабочее напряжение при 7 В, это не соответствует фактическому увеличению на 40 или 50 мА, которое, по расчетам Маженко, я наблюдал с 5,2 до 8,3 (что должно быть таким же, как с 5,2 до 7 В).

И мы даже не учитываем, что при напряжении 5,2 В микро вполне может включать и удерживать светодиод, так что он в какой-то мере работает и уже потребляет ток.

Другие вещи, которые мы можем принять во внимание, но не изменить фактов, это:

второй LDO (LP2985) для генерации 3V3, ток покоя которого должен составлять около 100 мкА, поскольку схема не потребляет ток от 3V3.
второй микроконтроллер, связанный с программированием USB, чей Icc может быть до 20 мА, но этот микроконтроллер выключен при питании от Vin. --> Эдгар Боне правильно заметил, что это неправда!
Некоторые делители напряжения и компараторы.

Так в чем причина такого увеличения потребления тока с 5 до 7В?

@Elia, 👍0

Обсуждение

В ваших измерениях есть один существенный недостаток: 5,2 В ниже минимального входного напряжения для платы, поэтому регулятор не будет регулировать до 5 В. Создайте больше точек данных в диапазоне напряжений и нарисуйте график. Бьюсь об заклад, это не будет прямой линией., @Majenko

Из вашего вопроса непонятно, как вы измеряете ток платы. Если вы измеряете потребляемый ток на выводе Vin, он все еще находится на стороне входа или источника питания LDO, а не на регулируемой стороне. В этом случае следует ожидать увеличения потребляемого тока (рассеяния!) с увеличением напряжения питания. Диаграмма того, как вы измеряете текущее потребление платы, очень поможет., @JRobert

На плате есть второй микроконтроллер, используемый в качестве моста USB-последовательный, который потребляет свою долю тока., @Edgar Bonet

По поводу «_этот [второй микроконтроллер] выключен при питании от Вин_»: нет, он включен. См. [схему](https://www.arduino.cc/en/uploads/Main/arduino-mega2560-schematic.pdf)., @Edgar Bonet

Ах ты прав! Я проверил схему, но вывод UVCC меня обманул :-), @Elia

1 ответ

Лучший ответ:

@*Majenko* · Accepted Answer · 2020-06-07 12:29-00:00

В вашей методологии есть основная ошибка, которая приводит к неверным выводам.

Вы не можете определить, что происходит, только по двум точкам данных. Вместо этого вам нужно гораздо больше.

Вот развертка напряжения от 5 В до 12 В с разрешением 0,05 В (избыток, но настройка по умолчанию для используемого мной скрипта), подключенного к Mega:

Как вы можете видеть, течение неуклонно растет довольно линейно до определенной точки, а затем выравнивается.

Вплоть до момента, когда напряжение сглаживается, оно ниже минимального входного напряжения для платы. В это время регулятор напряжения не получает достаточного напряжения, поэтому не может отрегулировать выходное напряжение до 5 В. Таким образом, плата работает под напряжением в этот момент. Как только он достигает этой точки «колена», регулятор напряжения может правильно регулировать напряжение, поэтому большинство компонентов на плате начинают получать стабильные 5 В, а их потребление тока выравнивается.

На стороне высокого напряжения стабилизатора есть несколько компонентов, в первую очередь делитель напряжения для определения входного напряжения и подачи его на компаратор, который управляет P-канальным полевым транзистором для включения и выключения питания USB. - который будет потреблять немного больше тока при увеличении напряжения, но это очень небольшое количество.

Короче говоря, сравнивая напряжение, которое ниже минимального входного напряжения для платы, с напряжением, которое выше минимального входного напряжения, вы сравниваете неверный результат с действительным результатом и делаете вывод, что все промежуточное значение является действительным. .