为低功耗验证选择正确的硬件解决方案

在日益互联的世界中，电子设备变得越来越智能，电池性能和寿命之间的平衡从未如此重要。无论应用程序如何，“低电量”警报都会带来很大的不便。从健身房的无线耳机到智能手机上的数字购物清单，消费者每天都依赖电池供电的设备。更重要的是，他们希望这些设备在一次充电后能够保持更长时间的开机状态。这意味着工程师一直面临着最大限度地延长电子设备电池寿命的挑战。

延长电池寿命的主要要求之一是能够准确测量设备的总功耗。主要挑战在于总负载功率不限于开机和稳态运行，而是需要在多种运行状态下进行测量。由于需要测量的低电压（通常在纳伏 （nV） 范围内），睡眠和瞬态等低功耗条件可能会产生不正确的数据读数。此外，一些电力事件可能会持续很短的时间。这意味着，除了需要高精度的测量仪器外，快速采样率也是一个关键考虑因素。

计算具有多种电源状态的设备的功耗

准确测量电子设备的功耗需要了解仪器选项和适当的测量设置。为了说明，请考虑图 1 中的示例设备 。此图说明了具有两种状态的简单电路：活动模式和低功耗模式。V1 是测得的源电压。这种测量对于电池来说是一个重要的考虑因素，因为它们会随着时间的推移而失去动力。测量功耗需要 在电流检测电阻器上进行第二次电压测量，该电阻器在图中标记为 R1。R2和R3表示被测设备的代表性负载，其中R3代表有功功率模式，R2代表低功率模式。

图 1：活动和睡眠状态下电压测量的电路示例

V1 = 1 VDC 电压源

R1 = 用于测量电压的 100 mΩ 电流检测电阻

R2 = 10 kΩ 的有源功率模式电阻器

R3 = 1 Ω 的低功耗模式电阻器

S1 & S2 = 施加/模拟负载的开关

分流电阻的重要性

外部分流器或电流检测电阻器是功耗测量的一个重要方面。使用电压测量仪器（如数字万用表 （DMM）、数据采集 （DAQ） 设备或示波器）测量设备的电流消耗需要仔细注意分流电阻器的尺寸和容差。在这种情况下，分流电阻器用于测量压降并将其转换为电流。适当调整此电阻器的大小可确保准确测量。在 图 1，R1（100 mΩ，0.1% 容差）电阻表示必须由仪器测量的测量电压降。在这里，我们可以使用欧姆定律来计算感应电阻器上的预期电压。请注意，电阻应足够低以减少误差，但又应足够大以进行准确的压降测量。对于我们的示例，我们选择 100 mΩ 以实现准确的电流测量，同时最大限度地减少测量电阻器消耗的功率。

基于我们的有源和低功耗模式模型，我们可以使用以下公式估计分流电阻器上的预期压降。这些计算是电压测量的前提，是了解不同仪器精度的基础：

R2：低功耗模式条件

预期电流消耗 = （1 VDC）/（10 kΩ） = 100 μA

分流电阻器上的预期压降 = 100 µA ［公式］ 100 mΩ = 10 µV

预期功耗 = 10 µV × 100 µA = 1 nW

R3：有功功率模式条件

预期电流消耗 = （1 VDC）/（1 Ω） = 1 A

分流电阻器上的预期压降 = 1 A × 100 mΩ = 100 mV

预期功耗 = 100 mV × 1A = 100 mW

正如我们在上面看到的，低功耗模式条件导致分流电阻器上的压降最小。由于在这种情况下功耗测量更具挑战性，因此我们将重点关注低功耗条件下的精度计算。

请注意，当使用分流电阻器测量功耗时，测量的总误差将包括器件误差和配置误差。出于说明目的，我们假设连接到分流电阻器 R1 和电压源 V1 的电缆和固定装置上的任何压降都可以忽略不计。但是，我们可以使用以下公式计算由于电阻容差引起的测量误差。回想一下，在此示例中，有源功率模式测量值为 100 mV，低功率模式为 10 µV：

R1 检测电阻值 = 100 mΩ，0.1%

检测电阻器 R1 误差 （V） = 10 µV ÷ 0.1% = 10 nV

检测电阻器电流误差 （A） = 10 nV ÷ 100 mΩ = 100 nA

选择合适的测量设备来测试低功耗电路

在开始探索电压和电流测量领域时，了解电压、电流和电阻之间的关系至关重要。由于仪器通常测量电压或电流，我们将使用欧姆定律来确定 IC 级、电源轨、电路和/或系统级的功耗。执行低功耗测量有多种选择，但每一种都需要权衡。用于测量电压的最常见设备是 DMM、示波器和 DAQ 设备。

使用 DMM 进行低功耗读数

DMM 是最常见的低电平电压测量仪器之一。它们通常利用广泛的功能来校正电压不确定性。为了确定该仪器的精度，让我们考虑具有 7 ½ 位精度、±1，000-V 最大输入范围和板载 1.8-MS/s 隔离数字化仪的 DMM。 图2 摘自规范文件。在这种情况下，自动调零、ADC 校准和偏移归零等高级 DMM 精度增强功能被禁用。如果启用 DC 偏移归零，DMM 的整体精度可以提高 2 µV，了解这一点很重要。请注意，DC 偏移归零是一个高级主题，具有广泛的警告和权衡。出于本次讨论的目的，在最坏情况下，检测电阻器两端的测量电压将为 10 µV，因此我们可以暂时忽略 DC 偏移归零。

虽然我们可以将 DMM 用于电压和电流测量模式，但我们将评估 DMM 在电压测量模式下使用外部分流电阻的用例。这种模式通常是功耗测量的首选，因为它允许您自定义分流电阻器的值。

图 2：PXIe-4081 DMM 规格

以下等式有助于计算 DMM 的准确度最坏情况：

a = 读取分量的 ppm

b = 范围分量的 ppm

注意：如果不使用归零，则增加 2 µV

根据我们测量的电压降 （10 µV），我们将考虑 100 mV 范围的规格。使用上述公式，我们可以估算 DMM 的电压测量精度。假设 DMM 在测量后 90 天内进行了自校准，我们可以使用以下数字：

读数的 ppm = 27

ppm 范围 = 7

范围 = 100 mV

预期信号 = 10 µV

精度 = 700 nV + 2 µV = 2.7 µV

知道仪器精度为 ±2.7 µV，我们可以使用欧姆定律、仪器精度和检测电阻误差计算电流读数的精度：

欧姆定律 = I = V/R

测量误差 = ±（2.7 uV）/（100 mΩ） = ±27 μA

总误差 = 测量误差 + 检测电阻误差 = ±27 μA + 100 nA = ±27.1 μA

功耗误差 = 2.7 μV × 27.1 μA = 73.17 pW

正如我们从上面的等式观察到的那样，使用 1% 容差电阻器时，检测电阻器误差可以忽略不计。因此，系统设置可以在低功耗状态下以 ［Equation］27 µA 的精度测量 100 µA 电流消耗， 甚至无需使用直流调零。可以简单地通过应用这种技术来提高准确性。

使用示波器进行低功耗读数

示波器是第二种经常用于功率测量的仪器。鉴于其宽带宽和高采样率，示波器通常是表征设备功耗动态变化的首选仪器。出于说明目的，让我们使用采样率为 1-GS/s、频率为 200 MHz 和分辨率为 14 位的 NI PXIe-5163 示波器。

图 3：PXIe-5163 示波器规格

计算示波器精度最坏情况是输入范围和垂直偏移的函数。对于此计算，我们将使用 1-MΩ 内阻，因为它更适合测量低电压。在此示例中，我们将评估电压读数为 10 µV 的低功耗模式下检测电阻器上的压降。通过此测量，我们将使用 0 的垂直偏移和 0.25 V 的满量程输入范围。 计算精度的公式直接取自规范文档，如图 3所示 ：

请注意，当设备的电路板温度自上次校准以来超过 ±3˚C 时，也需要考虑 DC/DC 漂移，如规格文件中所述。由于温度因设备而异，我们不会将其考虑在内，并假设小于 ±3˚C。请注意，表 3 的规范中提供了垂直偏移。

知道仪器精度为±650 µV，我们可以使用欧姆定律、仪器精度和检测电阻误差计算电流读数的精度：

欧姆定律 =I = V/R

测量误差 = ±（650.01 μV）/（100 mΩ） = ±6.5 mA

总误差 = 测量误差 + 检测电阻误差 = ±6.5 mA + 100 nA = ±6.5 mA

功耗误差 = 650 μV × 6.5 mA = 4.23 μW

从上面的等式中，我们可以观察到，使用示波器的系统的电流测量精度将产生仅为 6.5 mA 的电流测量精度，这不足以准确测量 100 µA 的低功耗状态电流消耗。 但是，示波器可以在合理的精度水平内准确测量处于活动状态的设备的功耗，并且通常用于表征活动设备的瞬态功耗行为。

用于低功耗测量的 DAQ 设备

DAQ 设备通常用于采集多个通道上的电压和/或数据。尽管有些人可能认为 DAQ 设备是一种低成本的测量工具，但一些高端型号也提供了出色的直流测量精度。出于说明目的，我们将考虑两个 DAQ 设备。第一个是 PXIe-6289，它是一个 32 AI（18 位，625 kS/s）、4 个 AO 和 48 个 DIO。与上面的示例一样，以下精度计算将解决最坏情况，即测量设备低功耗模式下的功耗。使用 图 4，我们可以使用以下规格文档中的公式计算直流精度。

图 4：规范文档中的 PXI-6289 精度表

使用绝对精度，“读数”将是检测电阻器 （10 µV） 上的压降。此外，我们将使用尽可能小的输入范围 （0.1 V）。请注意，增益误差和偏移误差是使用额外计算得出的。在计算增益和失调误差时，我们假设上次校准和增益温度系数（增益温度系数）为 17 ppm/°C，参考温度系数为 1 ppm/°C，INL 误差为 10 ppm 量程之间的误差为 5°C。

噪声不确定度 =（随机噪声 × 3）/√100

增益误差 = 120 ppm + （17 ppm × 5 ppm） + （1 ppm × 5） = 210 ppm

偏移误差 = （62 ppm + （60 ppm ［公式］ 5）） + 10 ppm = 372 ppm

噪声不确定度 = （9 μV × 3）/√100 = 2.7 μV

绝对精度 = 0.1 V × （210 ppm） + 0.1 V × （372 ppm） + 2.7 µV = 58.2 µV

将所有可能的误差相加后，该仪器的直流精度为 58.2 µV。现在，我们可以使用欧姆定律、仪器的精度和检测电阻器误差来计算电流读数的精度：

欧姆定律 =I = V/R

测量误差 = ±（60.9 μV）/（100 mΩ）= ±609 μA

总误差 = 测量误差 + 传感器误差 = ±609 μA + 100 nA = ±609.1 μA

功耗误差 = 58.2 µV ［公式］ 609.1 µA = 35.45 nW

将此计算应用于图 1 中的电路 ，我们可以看到该特定 DAQ 设备可以测量实际电流消耗 ±1 mA 以内的电流精度。因此，尽管该设备可能足以表征设备活动状态 （1 A） 下的功耗，但它缺乏测量低功耗模式 （100 µA） 下电流消耗的准确性。

更高性能的数据采集设备

相比之下，我们可以用更高性能的终端模型来测试上述多功能数据采集设备的性能。在我们的第二个 DAQ 设备比较中，我们将评估 NI PXIe-4309 的性能。该器件具有高达 2 MS/s 的采样率、28 位灵活分辨率、32 个通道和 ±15V 输入范围。

与数字万用表类似，NI PXIe-4309 使用额外的精度技术，例如自动归零、斩波和偏移来提高直流测量精度。为了最好地说明 PXIe-4309 的附加功能带来的好处，让我们评估一个示例，其中启用自动归零，但在采集开始时不考虑偏移零点。在这种情况下，自动归零采样在读取低电压时增加了最显着的改进，而偏移归零消除了最大的误差源，即读取低电压时 4.5 µV 的偏移误差。因为我们的读数是 10 µV，所以不需要偏移归零功能。现在，我们将继续使用图 5 中的最小量程 （0.1 V）。

图 5：规范文档中的 PXIe-4309 精度表

如前所述，数据采集设备最大的误差来源之一是偏移误差。在这种情况下，我们将考虑具有 0.1V 电压范围的两年校准周期的场景。在此示例中，可以通过查看表 5 中的规范文档来确定快速准确度假设。两年校准后，总误差的偏移部分为 4.7 µV。可以使用线性度、噪声和残余偏移计算偏移误差的等式，这些可在规范文档（表 6）中找到。以下等式有助于计算设备的整体精度：

根据我们测量的电压降 （10 µV），我们将考虑与以前相同的 100 mV 范围规格。假设 PXIe-4309 在测量后的两年内进行了校准，我们可以使用以下数字：

失调误差 = 4.5 μV（在低于 5˚C 的情况下归零考虑这一点）

→ 线性 = 0.1 V × 5 ppm = 500 nV

→ 残差 = 4 μV

噪声 = 20 nVrms × 1.414213562 = 28 nV 峰峰值

增益误差 = 10 μV × 60 ppm = 6 pV

精度 = 4.7 μV + 28nV + 6 pV = 4.73 μV

添加所有可能的误差后，PXIe-4309 的无归零直流精度为 4.73 µV，同时以每秒 10 个样本进行采样。与前面的示例一样，让我们使用欧姆定律、仪器的精度和检测电阻器误差来计算电流读数的精度：

欧姆定律 = I = V/R

测量误差 = ±（4.73 μV）/（100 mΩ） = ±47.3 μA

总误差 = 测量误差 + 检测电阻误差 = ±47.3 μA + 100 nA = ±47.4 μA

功耗误差 = 4.7 μV × 47.4 μA = 222.78 pW

根据以上计算，我们可以确定 PXIe-4309 DAQ 设备可以在 ±47.5 µA 的精度内测量电流消耗，无需校正偏移归零。请注意，直流偏移是整体测量误差的重要组成部分。因此，使用上述测量配置，即使是基本的归零技术也可以显着提高此测量的准确度，甚至可实现优于 ±1 µA 的准确度性能。

表 1：基于低功耗测量要求的各仪器性能比较

评估仪器以找到适合低功耗验证的设备

如前所述，在评估低压测量仪器时，精度是最重要的考虑因素之一。此外，诸如快速采样率之类的功能可捕获动态信号的数据。除此之外，额外的通道提供了测量多个电源轨的适应性。总体结果表明，尽管大多数仪器都配备了电压读数，但精度存在显着差异。首先，数字万用表将能够准确读取活动模式和低功耗模式。其次，由于采样率高，示波器最适合捕获动态信号。第三，DAQ PXIe-6289 足以读取有源功率模式，但不足以测量低功率模式。最后，PXIe-4309 将能够准确测量所需的有源和低功耗模式。 图1。

选择合适的工具来测量低功耗可以实现更准确的功率验证，进而提高产品性能。在消费者希望他们的电子设备一次充电后保持更长时间供电的市场中，选择 PXIe-4309 等高性能仪器有助于快速有效地验证设备的功耗。总体而言，PXIe-4309 模拟输入模块的性能优于示波器和同类 DAQ 设备。它甚至可以与 7 ½ 位数字万用表的性能相匹配，用于测量这些低欧姆分流电阻器上的电流。PXIe-4309 具有更高的通道数，可提供足够的测量密度，以满足复杂电子设计中现代电源验证的要求。

审核编辑：郭婷