安泰測試給西安交通大學提供方案—（十）如何對產品完成精確的直流耗電分析

oho23

隨著移動通信設備的普及，以及智能設備的快速發展，電池供電的無線通信設備出現在各行各業。但由于電池技術的阻礙，產品的續航時間成為電子行業面臨的一大問題。從芯片制造商，到電子產品的研發人員，整個行業都在花費更多精力，優化產品的耗電特性，以謀求更好的使用體驗。

使用電池供電的電子產品，由于電池電壓固定，輸出電流的大小就直接反映了電子產品本身的功耗，如果能夠精確測量出產品在不同工作狀態下的電流變化情況，就可以掌握產品的耗電信息，進而推斷出產品的工作時間，待機時間等關鍵數據。因此工程師們關心的產品直流功耗問題，實際就是電流測量問題。直流電流的精確測量一直是測試工程師面臨的一個比較復雜的問題。如何在閉合的電流環路中精確測量毫安級，甚至微安級的微小電流，并且不對原有環路的工作狀態產生影響，這對測試方法和測試設備都提出了嚴峻的考驗。 而這一測試要求，又大量存在于現實測試應用中。

傳統的小電流采集方式包括在電流環路中串聯精密電阻，通過測量電阻兩端電壓降的方式，推斷環路電流值。以及直接串聯數字萬用表，或者使用示波器配合電流探頭，通過霍爾效應進行電流測量等。這些方式都能在一定程度上完成電流測試，但其精度和易用性都不能完全達到要求。

串聯精密電阻方式是最基礎的電流測量方式之一，這需要工程師先在電路中預留測試點，并串聯加入精密電阻。對小電流的測量往 往需要選擇較大的電阻，并配合高精度的電壓測試設備。另一個需要注意的問題是，電阻在電流流過時會產生熱量而導致自身阻值增大（在指標中由電阻的溫度系數表示），這會影響測試結果的準確程度。大多數金屬電阻的溫度系數在0.4%左右，因此20度的升溫將造成 8%的阻值偏差。對小電流測試結果將產生非常大的影響。另外每一個電阻對應的電流測量范圍有限，當電流呈現動態變化時，例如從 10uA變化到1A，同樣的電阻，兩端電壓降將變化10萬倍，對于電壓測量設備的動態范圍提出了嚴酷的要求。因此對于電流變化范圍較 大的測試，往往會使用多個電阻針對不同范圍的電流進行測量。

串聯精密電阻的另一個弊端就是測試操作復雜，除了需要破壞原有的電流環路加入串聯電阻外，還需要提供精確的電壓測試設備，以及數據的回讀和處理。對測試任務繁重的工程師，這將進一步加劇了他們的工作難度。

數字萬用表一定程度上緩解了上述問題中的難度，目前商用的六位半數字萬用表，電流測量精度均可達到微安級別。并同時提供多個測量量程，以覆蓋更大的測量范圍。同時通過選用溫度系數小于10ppm的低自熱電阻，減小溫度對電流測量的影響。但如何將萬用表接入電流環路仍是一個問題，用戶需要切斷環路，將萬用表串聯進去。另一個會產生測試誤差的地方是由于串聯萬用表導致的電壓降。 在萬用表的電流測量指標中，通常包含一個叫做Shunt Resistor 或者Burden Voltage 的項目，描述的是電流測量中，萬用表內阻的大小， 或者由這個內阻所造成的電壓降。這個由串聯萬用表引入的阻值導致電源輸出的電壓沒有全部加載在待測件兩端，而是根據歐姆定律在待測件和萬用表之間進行分壓。隨著電流的變化，萬用表上的分壓還會產生改變。因此，在串聯萬用表后，產品實際的消耗電流也會發 生改變，有別于真實情況。

上圖中的Burdon Voltage 就是由于串聯萬用表時引入的電阻導致的。在不同量程下，為了保證測量精度，萬用表內部會切換連接不 同阻值的電阻，導致電壓降的范圍有所不同。而各個儀表廠商之間由于使用的串聯電阻阻值也互不相同，導致即使使用同樣是六位半分 辨率的數字萬用表，在同樣的量程下，電流測試結果也可能各不相同，為使用者造成了很大的困惑。

在下圖中，我們使用高測量精度電源為300歐姆的電阻供電，電源輸出電壓同為3V，左圖中沒有串聯萬用表，電源輸出電流讀數為 10.2963mA。右圖中串聯有一個七位半的數字萬用表，選用20mA量程。通過查手冊得知，在20mA檔位下，最大的burden voltage可以達到0.4V。在右圖中可以看到，此時的通路電流下降到9.7962mA，串聯萬用表前后約有0.5mA的差別。這對于小電流測量，是非常大的誤差。

示波器配合電流探頭進行電流測量，由于使用霍爾效應，不需要破壞電流環路，因此在使用上最為方便。另外示波器的采樣率非常高，對于動態電流的測量有很大的優勢。但是由于示波器為8bit量化，對于小電流測量，其精度難以達到很高的指標，最高只能做到mA級別， 因此對于低功耗設備的測量會有局限性。

相比這些傳統測量方式，近年來逐漸有越來越多的用戶開始使用高精度電源進行小電流測量，尤其是對于電池供電產品，高精度電源一方面可以取代電池，提供穩定的直流供電。另一方面，電流測量電路內置于電源輸出端之前，因此對電源輸出不會產生影響，可以達到對電流環路的無損測量，這是傳統方式所無法達到的。

對應此類應用的高精度電源，需要至少具備以下幾個能力，首先是高精度的測量功能，至少五位半以上的測量分辨率，才能達到微安級電流的測量精度，滿足電子產品待機電流的測量要求。除了高分辨率的要求，同時還需要具備積分測量能力，以消除周期性噪聲對測量結果的影響。這就需要電源具備萬用表的測量和計算能力，才能應對這樣的測試需求。

另外需要電源輸出盡可能干凈，紋波噪聲峰峰值要控制在毫伏級。大的紋波噪聲干擾會對小電流測量產生影響，因此線性電源是最好的選擇。最后就是，電源需要有良好的瞬態響應特性，因為大多數移動通信設備消耗的電流波形為脈沖形式，電流變化速度快，脈沖幅度從幾十毫安到幾安培都有可能。這會導致普通電源輸出電壓產生波動。只有快速響應電源才能在此類負載條件下維持電壓的穩定。常見的普通直流電源瞬態響應時間在幾百微秒至幾毫秒范圍，這表示當負載產生跳變（脈沖電流出現）時，電源輸出端的電壓會產生波動，并需要幾百微秒以上的時間才能恢復正常，這種電壓波動可能對待測件產生各種不良的影響。電壓的向上波動可能損害待測件，而向下的波動可能導致產品關機。專為動態負載優化過的快速響應電源，其瞬態恢復時間往往在100微秒以內，因此電壓輸出更為穩定，負載跳變時的電壓波動也更小。

創新性電源產品PMS 2280S，就是在考慮到以上因素后，針對小電流測試需求推出的高測量精度 電源產品。其設計思路是將六位半數字萬用表與高性能直流電源相結合，同時提供易于操作的圖形化界面和方便的上位機接口。在為待測件提供穩定供電的同時，可以精確測量產品的直流耗電信息，為產品的耗電性能測試和優化提供幫助。

PMS 2280S 供提共四個電流測量量程，電流測量分辨率最高為10nA，電流測量精度最高精度可以達到0.05% + 10μA。可以應對待測件各種幅值的電流測量要求。另外提供的積分測量功能，通過設置積分時間，可以有效的消除工頻以及各種倍頻信號對直流測量的干擾，使直流測量更加準確。

作為一臺高性能直流電源，除了具備良好的紋波噪聲特性外，PMS 2280S電源具備優異的瞬態響應能力，可以從容面對快速變化的負載電流，確保輸出穩定的供電，不會對待測件產生不良影響。瞬態響應指標高達50μs，可代替電池為手機或其他移動通信產品進行供電。

同時電源提供四線輸出能力，可以消除線壓降對供電精度的影響，保證全部輸出電壓均加載在被供電設備上。在實際測試中，只需要將電源代替電池，與待測件直接相連，設置輸出電壓就可以直接從電源上讀取產品的耗電信息。

另外PMS 2280S 還提供了豐富的電流波形顯示和測量功能，方便用戶直接了解更詳細的耗電信息，為直流功耗測量提供更得力的測試工具。

如需了解更多，歡迎您了解西安安泰測試設備有限公司，訪問安泰測試網。