安泰測(cè)試給西安交通大學(xué)提供方案—（十）如何對(duì)產(chǎn)品完成精確的直流耗電分析

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隨著移動(dòng)通信設(shè)備的普及，以及智能設(shè)備的快速發(fā)展，電池供電的無(wú)線通信設(shè)備出現(xiàn)在各行各業(yè)。但由于電池技術(shù)的阻礙，產(chǎn)品的續(xù)航時(shí)間成為電子行業(yè)面臨的一大問(wèn)題。從芯片制造商，到電子產(chǎn)品的研發(fā)人員，整個(gè)行業(yè)都在花費(fèi)更多精力，優(yōu)化產(chǎn)品的耗電特性，以謀求更好的使用體驗(yàn)。

使用電池供電的電子產(chǎn)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(chǎn)品本身的功耗，如果能夠精確測(cè)量出產(chǎn)品在不同工作狀態(tài)下的電流變化情況，就可以掌握產(chǎn)品的耗電信息，進(jìn)而推斷出產(chǎn)品的工作時(shí)間，待機(jī)時(shí)間等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。因此工程師們關(guān)心的產(chǎn)品直流功耗問(wèn)題，實(shí)際就是電流測(cè)量問(wèn)題。直流電流的精確測(cè)量一直是測(cè)試工程師面臨的一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題。如何在閉合的電流環(huán)路中精確測(cè)量毫安級(jí)，甚至微安級(jí)的微小電流，并且不對(duì)原有環(huán)路的工作狀態(tài)產(chǎn)生影響，這對(duì)測(cè)試方法和測(cè)試設(shè)備都提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。 而這一測(cè)試要求，又大量存在于現(xiàn)實(shí)測(cè)試應(yīng)用中。

傳統(tǒng)的小電流采集方式包括在電流環(huán)路中串聯(lián)精密電阻，通過(guò)測(cè)量電阻兩端電壓降的方式，推斷環(huán)路電流值。以及直接串聯(lián)數(shù)字萬(wàn)用表，或者使用示波器配合電流探頭，通過(guò)霍爾效應(yīng)進(jìn)行電流測(cè)量等。這些方式都能在一定程度上完成電流測(cè)試，但其精度和易用性都不能完全達(dá)到要求。

串聯(lián)精密電阻方式是最基礎(chǔ)的電流測(cè)量方式之一，這需要工程師先在電路中預(yù)留測(cè)試點(diǎn)，并串聯(lián)加入精密電阻。對(duì)小電流的測(cè)量往 往需要選擇較大的電阻，并配合高精度的電壓測(cè)試設(shè)備。另一個(gè)需要注意的問(wèn)題是，電阻在電流流過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量而導(dǎo)致自身阻值增大（在指標(biāo)中由電阻的溫度系數(shù)表示），這會(huì)影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確程度。大多數(shù)金屬電阻的溫度系數(shù)在0.4%左右，因此20度的升溫將造成 8%的阻值偏差。對(duì)小電流測(cè)試結(jié)果將產(chǎn)生非常大的影響。另外每一個(gè)電阻對(duì)應(yīng)的電流測(cè)量范圍有限，當(dāng)電流呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化時(shí)，例如從 10uA變化到1A，同樣的電阻，兩端電壓降將變化10萬(wàn)倍，對(duì)于電壓測(cè)量設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍提出了嚴(yán)酷的要求。因此對(duì)于電流變化范圍較 大的測(cè)試，往往會(huì)使用多個(gè)電阻針對(duì)不同范圍的電流進(jìn)行測(cè)量。

串聯(lián)精密電阻的另一個(gè)弊端就是測(cè)試操作復(fù)雜，除了需要破壞原有的電流環(huán)路加入串聯(lián)電阻外，還需要提供精確的電壓測(cè)試設(shè)備，以及數(shù)據(jù)的回讀和處理。對(duì)測(cè)試任務(wù)繁重的工程師，這將進(jìn)一步加劇了他們的工作難度。

數(shù)字萬(wàn)用表一定程度上緩解了上述問(wèn)題中的難度，目前商用的六位半數(shù)字萬(wàn)用表，電流測(cè)量精度均可達(dá)到微安級(jí)別。并同時(shí)提供多個(gè)測(cè)量量程，以覆蓋更大的測(cè)量范圍。同時(shí)通過(guò)選用溫度系數(shù)小于10ppm的低自熱電阻，減小溫度對(duì)電流測(cè)量的影響。但如何將萬(wàn)用表接入電流環(huán)路仍是一個(gè)問(wèn)題，用戶需要切斷環(huán)路，將萬(wàn)用表串聯(lián)進(jìn)去。另一個(gè)會(huì)產(chǎn)生測(cè)試誤差的地方是由于串聯(lián)萬(wàn)用表導(dǎo)致的電壓降。 在萬(wàn)用表的電流測(cè)量指標(biāo)中，通常包含一個(gè)叫做Shunt Resistor 或者Burden Voltage 的項(xiàng)目，描述的是電流測(cè)量中，萬(wàn)用表內(nèi)阻的大小， 或者由這個(gè)內(nèi)阻所造成的電壓降。這個(gè)由串聯(lián)萬(wàn)用表引入的阻值導(dǎo)致電源輸出的電壓沒有全部加載在待測(cè)件兩端，而是根據(jù)歐姆定律在待測(cè)件和萬(wàn)用表之間進(jìn)行分壓。隨著電流的變化，萬(wàn)用表上的分壓還會(huì)產(chǎn)生改變。因此，在串聯(lián)萬(wàn)用表后，產(chǎn)品實(shí)際的消耗電流也會(huì)發(fā) 生改變，有別于真實(shí)情況。

上圖中的Burdon Voltage 就是由于串聯(lián)萬(wàn)用表時(shí)引入的電阻導(dǎo)致的。在不同量程下，為了保證測(cè)量精度，萬(wàn)用表內(nèi)部會(huì)切換連接不 同阻值的電阻，導(dǎo)致電壓降的范圍有所不同。而各個(gè)儀表廠商之間由于使用的串聯(lián)電阻阻值也互不相同，導(dǎo)致即使使用同樣是六位半分 辨率的數(shù)字萬(wàn)用表，在同樣的量程下，電流測(cè)試結(jié)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(cè)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(lián)萬(wàn)用表，電源輸出電流讀數(shù)為 10.2963mA。右圖中串聯(lián)有一個(gè)七位半的數(shù)字萬(wàn)用表，選用20mA量程。通過(guò)查手冊(cè)得知，在20mA檔位下，最大的burden voltage可以達(dá)到0.4V。在右圖中可以看到，此時(shí)的通路電流下降到9.7962mA，串聯(lián)萬(wàn)用表前后約有0.5mA的差別。這對(duì)于小電流測(cè)量，是非常大的誤差。

示波器配合電流探頭進(jìn)行電流測(cè)量，由于使用霍爾效應(yīng)，不需要破壞電流環(huán)路，因此在使用上最為方便。另外示波器的采樣率非常高，對(duì)于動(dòng)態(tài)電流的測(cè)量有很大的優(yōu)勢(shì)。但是由于示波器為8bit量化，對(duì)于小電流測(cè)量，其精度難以達(dá)到很高的指標(biāo)，最高只能做到mA級(jí)別， 因此對(duì)于低功耗設(shè)備的測(cè)量會(huì)有局限性。

相比這些傳統(tǒng)測(cè)量方式，近年來(lái)逐漸有越來(lái)越多的用戶開始使用高精度電源進(jìn)行小電流測(cè)量，尤其是對(duì)于電池供電產(chǎn)品，高精度電源一方面可以取代電池，提供穩(wěn)定的直流供電。另一方面，電流測(cè)量電路內(nèi)置于電源輸出端之前，因此對(duì)電源輸出不會(huì)產(chǎn)生影響，可以達(dá)到對(duì)電流環(huán)路的無(wú)損測(cè)量，這是傳統(tǒng)方式所無(wú)法達(dá)到的。

對(duì)應(yīng)此類應(yīng)用的高精度電源，需要至少具備以下幾個(gè)能力，首先是高精度的測(cè)量功能，至少五位半以上的測(cè)量分辨率，才能達(dá)到微安級(jí)電流的測(cè)量精度，滿足電子產(chǎn)品待機(jī)電流的測(cè)量要求。除了高分辨率的要求，同時(shí)還需要具備積分測(cè)量能力，以消除周期性噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。這就需要電源具備萬(wàn)用表的測(cè)量和計(jì)算能力，才能應(yīng)對(duì)這樣的測(cè)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(jí)。大的紋波噪聲干擾會(huì)對(duì)小電流測(cè)量產(chǎn)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(tài)響應(yīng)特性，因?yàn)榇蠖鄶?shù)移動(dòng)通信設(shè)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(huì)導(dǎo)致普通電源輸出電壓產(chǎn)生波動(dòng)。只有快速響應(yīng)電源才能在此類負(fù)載條件下維持電壓的穩(wěn)定。常見的普通直流電源瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間在幾百微秒至幾毫秒范圍，這表示當(dāng)負(fù)載產(chǎn)生跳變（脈沖電流出現(xiàn)）時(shí)，電源輸出端的電壓會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，并需要幾百微秒以上的時(shí)間才能恢復(fù)正常，這種電壓波動(dòng)可能對(duì)待測(cè)件產(chǎn)生各種不良的影響。電壓的向上波動(dòng)可能損害待測(cè)件，而向下的波動(dòng)可能導(dǎo)致產(chǎn)品關(guān)機(jī)。專為動(dòng)態(tài)負(fù)載優(yōu)化過(guò)的快速響應(yīng)電源，其瞬態(tài)恢復(fù)時(shí)間往往在100微秒以內(nèi)，因此電壓輸出更為穩(wěn)定，負(fù)載跳變時(shí)的電壓波動(dòng)也更小。

創(chuàng)新性電源產(chǎn)品PMS 2280S，就是在考慮到以上因素后，針對(duì)小電流測(cè)試需求推出的高測(cè)量精度 電源產(chǎn)品。其設(shè)計(jì)思路是將六位半數(shù)字萬(wàn)用表與高性能直流電源相結(jié)合，同時(shí)提供易于操作的圖形化界面和方便的上位機(jī)接口。在為待測(cè)件提供穩(wěn)定供電的同時(shí)，可以精確測(cè)量產(chǎn)品的直流耗電信息，為產(chǎn)品的耗電性能測(cè)試和優(yōu)化提供幫助。

PMS 2280S 供提共四個(gè)電流測(cè)量量程，電流測(cè)量分辨率最高為10nA，電流測(cè)量精度最高精度可以達(dá)到0.05% + 10μA。可以應(yīng)對(duì)待測(cè)件各種幅值的電流測(cè)量要求。另外提供的積分測(cè)量功能，通過(guò)設(shè)置積分時(shí)間，可以有效的消除工頻以及各種倍頻信號(hào)對(duì)直流測(cè)量的干擾，使直流測(cè)量更加準(zhǔn)確。

作為一臺(tái)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(yōu)異的瞬態(tài)響應(yīng)能力，可以從容面對(duì)快速變化的負(fù)載電流，確保輸出穩(wěn)定的供電，不會(huì)對(duì)待測(cè)件產(chǎn)生不良影響。瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)高達(dá)50μs，可代替電池為手機(jī)或其他移動(dòng)通信產(chǎn)品進(jìn)行供電。

同時(shí)電源提供四線輸出能力，可以消除線壓降對(duì)供電精度的影響，保證全部輸出電壓均加載在被供電設(shè)備上。在實(shí)際測(cè)試中，只需要將電源代替電池，與待測(cè)件直接相連，設(shè)置輸出電壓就可以直接從電源上讀取產(chǎn)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(cè)量功能，方便用戶直接了解更詳細(xì)的耗電信息，為直流功耗測(cè)量提供更得力的測(cè)試工具。

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