在日益互聯(lián)的世界中，電子設(shè)備變得越來越智能，電池性能和壽命之間的平衡從未如此重要。無論應(yīng)用程序如何，“低電量”警報(bào)都會(huì)帶來很大的不便。從健身房的無線耳機(jī)到智能手機(jī)上的數(shù)字購物清單，消費(fèi)者每天都依賴電池供電的設(shè)備。更重要的是，他們希望這些設(shè)備在一次充電后能夠保持更長時(shí)間的開機(jī)狀態(tài)。這意味著工程師一直面臨著最大限度地延長電子設(shè)備電池壽命的挑戰(zhàn)。

延長電池壽命的主要要求之一是能夠準(zhǔn)確測量設(shè)備的總功耗。主要挑戰(zhàn)在于總負(fù)載功率不限于開機(jī)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，而是需要在多種運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行測量。由于需要測量的低電壓（通常在納伏 （nV） 范圍內(nèi)），睡眠和瞬態(tài)等低功耗條件可能會(huì)產(chǎn)生不正確的數(shù)據(jù)讀數(shù)。此外，一些電力事件可能會(huì)持續(xù)很短的時(shí)間。這意味著，除了需要高精度的測量儀器外，快速采樣率也是一個(gè)關(guān)鍵考慮因素。

計(jì)算具有多種電源狀態(tài)的設(shè)備的功耗

準(zhǔn)確測量電子設(shè)備的功耗需要了解儀器選項(xiàng)和適當(dāng)?shù)臏y量設(shè)置。為了說明，請考慮圖 1 中的示例設(shè)備 。此圖說明了具有兩種狀態(tài)的簡單電路：活動(dòng)模式和低功耗模式。V1 是測得的源電壓。這種測量對于電池來說是一個(gè)重要的考慮因素，因?yàn)樗鼈儠?huì)隨著時(shí)間的推移而失去動(dòng)力。測量功耗需要 在電流檢測電阻器上進(jìn)行第二次電壓測量，該電阻器在圖中標(biāo)記為 R1。R2和R3表示被測設(shè)備的代表性負(fù)載，其中R3代表有功功率模式，R2代表低功率模式。

圖 1：活動(dòng)和睡眠狀態(tài)下電壓測量的電路示例

V1 = 1 VDC 電壓源

R1 = 用于測量電壓的 100 mΩ 電流檢測電阻

R2 = 10 kΩ 的有源功率模式電阻器

R3 = 1 Ω 的低功耗模式電阻器

S1 & S2 = 施加/模擬負(fù)載的開關(guān)

分流電阻的重要性

外部分流器或電流檢測電阻器是功耗測量的一個(gè)重要方面。使用電壓測量儀器（如數(shù)字萬用表 （DMM）、數(shù)據(jù)采集 （DAQ） 設(shè)備或示波器）測量設(shè)備的電流消耗需要仔細(xì)注意分流電阻器的尺寸和容差。在這種情況下，分流電阻器用于測量壓降并將其轉(zhuǎn)換為電流。適當(dāng)調(diào)整此電阻器的大小可確保準(zhǔn)確測量。在 圖 1，R1（100 mΩ，0.1% 容差）電阻表示必須由儀器測量的測量電壓降。在這里，我們可以使用歐姆定律來計(jì)算感應(yīng)電阻器上的預(yù)期電壓。請注意，電阻應(yīng)足夠低以減少誤差，但又應(yīng)足夠大以進(jìn)行準(zhǔn)確的壓降測量。對于我們的示例，我們選擇 100 mΩ 以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電流測量，同時(shí)最大限度地減少測量電阻器消耗的功率。

基于我們的有源和低功耗模式模型，我們可以使用以下公式估計(jì)分流電阻器上的預(yù)期壓降。這些計(jì)算是電壓測量的前提，是了解不同儀器精度的基礎(chǔ)：

R2：低功耗模式條件

預(yù)期電流消耗 = （1 VDC）/（10 kΩ） = 100 μA

分流電阻器上的預(yù)期壓降 = 100 μA ［公式］ 100 mΩ = 10 μV

預(yù)期功耗 = 10 μV × 100 μA = 1 nW

R3：有功功率模式條件

預(yù)期電流消耗 = （1 VDC）/（1 Ω） = 1 A

分流電阻器上的預(yù)期壓降 = 1 A × 100 mΩ = 100 mV

預(yù)期功耗 = 100 mV × 1A = 100 mW

正如我們在上面看到的，低功耗模式條件導(dǎo)致分流電阻器上的壓降最小。由于在這種情況下功耗測量更具挑戰(zhàn)性，因此我們將重點(diǎn)關(guān)注低功耗條件下的精度計(jì)算。

請注意，當(dāng)使用分流電阻器測量功耗時(shí)，測量的總誤差將包括器件誤差和配置誤差。出于說明目的，我們假設(shè)連接到分流電阻器 R1 和電壓源 V1 的電纜和固定裝置上的任何壓降都可以忽略不計(jì)。但是，我們可以使用以下公式計(jì)算由于電阻容差引起的測量誤差?；叵胍幌?，在此示例中，有源功率模式測量值為 100 mV，低功率模式為 10 μV：

R1 檢測電阻值 = 100 mΩ，0.1%

檢測電阻器 R1 誤差 （V） = 10 μV ÷ 0.1% = 10 nV

檢測電阻器電流誤差 （A） = 10 nV ÷ 100 mΩ = 100 nA

選擇合適的測量設(shè)備來測試低功耗電路

在開始探索電壓和電流測量領(lǐng)域時(shí)，了解電壓、電流和電阻之間的關(guān)系至關(guān)重要。由于儀器通常測量電壓或電流，我們將使用歐姆定律來確定 IC 級(jí)、電源軌、電路和/或系統(tǒng)級(jí)的功耗。執(zhí)行低功耗測量有多種選擇，但每一種都需要權(quán)衡。用于測量電壓的最常見設(shè)備是 DMM、示波器和 DAQ 設(shè)備。

使用 DMM 進(jìn)行低功耗讀數(shù)

DMM 是最常見的低電平電壓測量儀器之一。它們通常利用廣泛的功能來校正電壓不確定性。為了確定該儀器的精度，讓我們考慮具有 7 ? 位精度、±1，000-V 最大輸入范圍和板載 1.8-MS/s 隔離數(shù)字化儀的 DMM。 圖2 摘自規(guī)范文件。在這種情況下，自動(dòng)調(diào)零、ADC 校準(zhǔn)和偏移歸零等高級(jí) DMM 精度增強(qiáng)功能被禁用。如果啟用 DC 偏移歸零，DMM 的整體精度可以提高 2 μV，了解這一點(diǎn)很重要。請注意，DC 偏移歸零是一個(gè)高級(jí)主題，具有廣泛的警告和權(quán)衡。出于本次討論的目的，在最壞情況下，檢測電阻器兩端的測量電壓將為 10 μV，因此我們可以暫時(shí)忽略 DC 偏移歸零。

雖然我們可以將 DMM 用于電壓和電流測量模式，但我們將評估 DMM 在電壓測量模式下使用外部分流電阻的用例。這種模式通常是功耗測量的首選，因?yàn)樗试S您自定義分流電阻器的值。

圖 2：PXIe-4081 DMM 規(guī)格

以下等式有助于計(jì)算 DMM 的準(zhǔn)確度最壞情況：

a = 讀取分量的 ppm

b = 范圍分量的 ppm

注意：如果不使用歸零，則增加 2 μV

根據(jù)我們測量的電壓降 （10 μV），我們將考慮 100 mV 范圍的規(guī)格。使用上述公式，我們可以估算 DMM 的電壓測量精度。假設(shè) DMM 在測量后 90 天內(nèi)進(jìn)行了自校準(zhǔn)，我們可以使用以下數(shù)字：

讀數(shù)的 ppm = 27

ppm 范圍 = 7

范圍 = 100 mV

預(yù)期信號(hào) = 10 μV

精度 = 700 nV + 2 μV = 2.7 μV

知道儀器精度為 ±2.7 μV，我們可以使用歐姆定律、儀器精度和檢測電阻誤差計(jì)算電流讀數(shù)的精度：

歐姆定律 = I = V/R

測量誤差 = ±（2.7 uV）/（100 mΩ） = ±27 μA

總誤差 = 測量誤差 + 檢測電阻誤差 = ±27 μA + 100 nA = ±27.1 μA

功耗誤差 = 2.7 μV × 27.1 μA = 73.17 pW

正如我們從上面的等式觀察到的那樣，使用 1% 容差電阻器時(shí)，檢測電阻器誤差可以忽略不計(jì)。因此，系統(tǒng)設(shè)置可以在低功耗狀態(tài)下以 ［Equation］27 μA 的精度測量 100 μA 電流消耗， 甚至無需使用直流調(diào)零。可以簡單地通過應(yīng)用這種技術(shù)來提高準(zhǔn)確性。

使用示波器進(jìn)行低功耗讀數(shù)

示波器是第二種經(jīng)常用于功率測量的儀器。鑒于其寬帶寬和高采樣率，示波器通常是表征設(shè)備功耗動(dòng)態(tài)變化的首選儀器。出于說明目的，讓我們使用采樣率為 1-GS/s、頻率為 200 MHz 和分辨率為 14 位的 NI PXIe-5163 示波器。

圖 3：PXIe-5163 示波器規(guī)格

計(jì)算示波器精度最壞情況是輸入范圍和垂直偏移的函數(shù)。對于此計(jì)算，我們將使用 1-MΩ 內(nèi)阻，因?yàn)樗m合測量低電壓。在此示例中，我們將評估電壓讀數(shù)為 10 μV 的低功耗模式下檢測電阻器上的壓降。通過此測量，我們將使用 0 的垂直偏移和 0.25 V 的滿量程輸入范圍。 計(jì)算精度的公式直接取自規(guī)范文檔，如圖 3所示 ：

請注意，當(dāng)設(shè)備的電路板溫度自上次校準(zhǔn)以來超過 ±3?C 時(shí)，也需要考慮 DC/DC 漂移，如規(guī)格文件中所述。由于溫度因設(shè)備而異，我們不會(huì)將其考慮在內(nèi)，并假設(shè)小于 ±3?C。請注意，表 3 的規(guī)范中提供了垂直偏移。

知道儀器精度為±650 μV，我們可以使用歐姆定律、儀器精度和檢測電阻誤差計(jì)算電流讀數(shù)的精度：

歐姆定律 =I = V/R

測量誤差 = ±（650.01 μV）/（100 mΩ） = ±6.5 mA

總誤差 = 測量誤差 + 檢測電阻誤差 = ±6.5 mA + 100 nA = ±6.5 mA

功耗誤差 = 650 μV × 6.5 mA = 4.23 μW

從上面的等式中，我們可以觀察到，使用示波器的系統(tǒng)的電流測量精度將產(chǎn)生僅為 6.5 mA 的電流測量精度，這不足以準(zhǔn)確測量 100 μA 的低功耗狀態(tài)電流消耗。 但是，示波器可以在合理的精度水平內(nèi)準(zhǔn)確測量處于活動(dòng)狀態(tài)的設(shè)備的功耗，并且通常用于表征活動(dòng)設(shè)備的瞬態(tài)功耗行為。

用于低功耗測量的 DAQ 設(shè)備

DAQ 設(shè)備通常用于采集多個(gè)通道上的電壓和/或數(shù)據(jù)。盡管有些人可能認(rèn)為 DAQ 設(shè)備是一種低成本的測量工具，但一些高端型號(hào)也提供了出色的直流測量精度。出于說明目的，我們將考慮兩個(gè) DAQ 設(shè)備。第一個(gè)是 PXIe-6289，它是一個(gè) 32 AI（18 位，625 kS/s）、4 個(gè) AO 和 48 個(gè) DIO。與上面的示例一樣，以下精度計(jì)算將解決最壞情況，即測量設(shè)備低功耗模式下的功耗。使用 圖 4，我們可以使用以下規(guī)格文檔中的公式計(jì)算直流精度。

圖 4：規(guī)范文檔中的 PXI-6289 精度表

使用絕對精度，“讀數(shù)”將是檢測電阻器 （10 μV） 上的壓降。此外，我們將使用盡可能小的輸入范圍 （0.1 V）。請注意，增益誤差和偏移誤差是使用額外計(jì)算得出的。在計(jì)算增益和失調(diào)誤差時(shí)，我們假設(shè)上次校準(zhǔn)和增益溫度系數(shù)（增益溫度系數(shù)）為 17 ppm/°C，參考溫度系數(shù)為 1 ppm/°C，INL 誤差為 10 ppm 量程之間的誤差為 5°C。

噪聲不確定度 =（隨機(jī)噪聲 × 3）/√100

增益誤差 = 120 ppm + （17 ppm × 5 ppm） + （1 ppm × 5） = 210 ppm

偏移誤差 = （62 ppm + （60 ppm ［公式］ 5）） + 10 ppm = 372 ppm

噪聲不確定度 = （9 μV × 3）/√100 = 2.7 μV

絕對精度 = 0.1 V × （210 ppm） + 0.1 V × （372 ppm） + 2.7 μV = 58.2 μV

將所有可能的誤差相加后，該儀器的直流精度為 58.2 μV。現(xiàn)在，我們可以使用歐姆定律、儀器的精度和檢測電阻器誤差來計(jì)算電流讀數(shù)的精度：

歐姆定律 =I = V/R

測量誤差 = ±（60.9 μV）/（100 mΩ）= ±609 μA

總誤差 = 測量誤差 + 傳感器誤差 = ±609 μA + 100 nA = ±609.1 μA

功耗誤差 = 58.2 μV ［公式］ 609.1 μA = 35.45 nW

將此計(jì)算應(yīng)用于圖 1 中的電路 ，我們可以看到該特定 DAQ 設(shè)備可以測量實(shí)際電流消耗 ±1 mA 以內(nèi)的電流精度。因此，盡管該設(shè)備可能足以表征設(shè)備活動(dòng)狀態(tài) （1 A） 下的功耗，但它缺乏測量低功耗模式 （100 μA） 下電流消耗的準(zhǔn)確性。

更高性能的數(shù)據(jù)采集設(shè)備

相比之下，我們可以用更高性能的終端模型來測試上述多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備的性能。在我們的第二個(gè) DAQ 設(shè)備比較中，我們將評估 NI PXIe-4309 的性能。該器件具有高達(dá) 2 MS/s 的采樣率、28 位靈活分辨率、32 個(gè)通道和 ±15V 輸入范圍。

與數(shù)字萬用表類似，NI PXIe-4309 使用額外的精度技術(shù)，例如自動(dòng)歸零、斬波和偏移來提高直流測量精度。為了最好地說明 PXIe-4309 的附加功能帶來的好處，讓我們評估一個(gè)示例，其中啟用自動(dòng)歸零，但在采集開始時(shí)不考慮偏移零點(diǎn)。在這種情況下，自動(dòng)歸零采樣在讀取低電壓時(shí)增加了最顯著的改進(jìn)，而偏移歸零消除了最大的誤差源，即讀取低電壓時(shí) 4.5 μV 的偏移誤差。因?yàn)槲覀兊淖x數(shù)是 10 μV，所以不需要偏移歸零功能。現(xiàn)在，我們將繼續(xù)使用圖 5 中的最小量程 （0.1 V）。

圖 5：規(guī)范文檔中的 PXIe-4309 精度表

如前所述，數(shù)據(jù)采集設(shè)備最大的誤差來源之一是偏移誤差。在這種情況下，我們將考慮具有 0.1V 電壓范圍的兩年校準(zhǔn)周期的場景。在此示例中，可以通過查看表 5 中的規(guī)范文檔來確定快速準(zhǔn)確度假設(shè)。兩年校準(zhǔn)后，總誤差的偏移部分為 4.7 μV?？梢允褂镁€性度、噪聲和殘余偏移計(jì)算偏移誤差的等式，這些可在規(guī)范文檔（表 6）中找到。以下等式有助于計(jì)算設(shè)備的整體精度：

根據(jù)我們測量的電壓降 （10 μV），我們將考慮與以前相同的 100 mV 范圍規(guī)格。假設(shè) PXIe-4309 在測量后的兩年內(nèi)進(jìn)行了校準(zhǔn)，我們可以使用以下數(shù)字：

失調(diào)誤差 = 4.5 μV（在低于 5?C 的情況下歸零考慮這一點(diǎn)）

→ 線性 = 0.1 V × 5 ppm = 500 nV

→ 殘差 = 4 μV

噪聲 = 20 nVrms × 1.414213562 = 28 nV 峰峰值

增益誤差 = 10 μV × 60 ppm = 6 pV

精度 = 4.7 μV + 28nV + 6 pV = 4.73 μV

添加所有可能的誤差后，PXIe-4309 的無歸零直流精度為 4.73 μV，同時(shí)以每秒 10 個(gè)樣本進(jìn)行采樣。與前面的示例一樣，讓我們使用歐姆定律、儀器的精度和檢測電阻器誤差來計(jì)算電流讀數(shù)的精度：

歐姆定律 = I = V/R

測量誤差 = ±（4.73 μV）/（100 mΩ） = ±47.3 μA

總誤差 = 測量誤差 + 檢測電阻誤差 = ±47.3 μA + 100 nA = ±47.4 μA

功耗誤差 = 4.7 μV × 47.4 μA = 222.78 pW

根據(jù)以上計(jì)算，我們可以確定 PXIe-4309 DAQ 設(shè)備可以在 ±47.5 μA 的精度內(nèi)測量電流消耗，無需校正偏移歸零。請注意，直流偏移是整體測量誤差的重要組成部分。因此，使用上述測量配置，即使是基本的歸零技術(shù)也可以顯著提高此測量的準(zhǔn)確度，甚至可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于 ±1 μA 的準(zhǔn)確度性能。

表 1：基于低功耗測量要求的各儀器性能比較

評估儀器以找到適合低功耗驗(yàn)證的設(shè)備

如前所述，在評估低壓測量儀器時(shí)，精度是最重要的考慮因素之一。此外，諸如快速采樣率之類的功能可捕獲動(dòng)態(tài)信號(hào)的數(shù)據(jù)。除此之外，額外的通道提供了測量多個(gè)電源軌的適應(yīng)性?？傮w結(jié)果表明，盡管大多數(shù)儀器都配備了電壓讀數(shù)，但精度存在顯著差異。首先，數(shù)字萬用表將能夠準(zhǔn)確讀取活動(dòng)模式和低功耗模式。其次，由于采樣率高，示波器最適合捕獲動(dòng)態(tài)信號(hào)。第三，DAQ PXIe-6289 足以讀取有源功率模式，但不足以測量低功率模式。最后，PXIe-4309 將能夠準(zhǔn)確測量所需的有源和低功耗模式。 圖1。

選擇合適的工具來測量低功耗可以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的功率驗(yàn)證，進(jìn)而提高產(chǎn)品性能。在消費(fèi)者希望他們的電子設(shè)備一次充電后保持更長時(shí)間供電的市場中，選擇 PXIe-4309 等高性能儀器有助于快速有效地驗(yàn)證設(shè)備的功耗?？傮w而言，PXIe-4309 模擬輸入模塊的性能優(yōu)于示波器和同類 DAQ 設(shè)備。它甚至可以與 7 ? 位數(shù)字萬用表的性能相匹配，用于測量這些低歐姆分流電阻器上的電流。PXIe-4309 具有更高的通道數(shù)，可提供足夠的測量密度，以滿足復(fù)雜電子設(shè)計(jì)中現(xiàn)代電源驗(yàn)證的要求。

審核編輯：郭婷