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

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隨著(zhù)移動(dòng)通信設備的普及，以及智能設備的快速發(fā)展，電池供電的無(wú)線(xiàn)通信設備出現在各行各業(yè)。但由于電池技術(shù)的阻礙，產(chǎn)品的續航時(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。

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，待機時(shí)間等關(guān)鍵數據。因此工程師們關(guān)心的產(chǎn)品直流功耗問(wèn)題，實(shí)際就是電流測量問(wèn)題。直流電流的精確測量一直是測試工程師面臨的一個(gè)比較復雜的問(wèn)題。如何在閉合的電流環(huán)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(huán)路的工作狀態(tài)產(chǎn)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(shí)測試應用中。

傳統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)霍爾效應進(jìn)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(lián)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(diǎn)，并串聯(lián)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(gè)需要注意的問(wèn)題是，電阻在電流流過(guò)時(shí)會(huì )產(chǎn)生熱量而導致自身阻值增大（在指標中由電阻的溫度系數表示），這會(huì )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(chǎn)生非常大的影響。另外每一個(gè)電阻對應的電流測量范圍有限，當電流呈現動(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，對于電壓測量設備的動(dòng)態(tài)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(huì )使用多個(gè)電阻針對不同范圍的電流進(jìn)行測量。

串聯(lián)精密電阻的另一個(gè)弊端就是測試操作復雜，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試設備，以及數據的回讀和處理。對測試任務(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字萬(wàn)用表，電流測量精度均可達到微安級別。并同時(shí)提供多個(gè)測量量程，以覆蓋更大的測量范圍。同時(shí)通過(guò)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(wàn)用表接入電流環(huán)路仍是一個(gè)問(wèn)題，用戶(hù)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)生測試誤差的地方是由于串聯(lián)萬(wàn)用表導致的電壓降。 在萬(wàn)用表的電流測量指標中，通常包含一個(gè)叫做Shunt Resistor 或者Burden Voltage 的項目，描述的是電流測量中，萬(wàn)用表內阻的大小， 或者由這個(gè)內阻所造成的電壓降。這個(gè)由串聯(lián)萬(wàn)用表引入的阻值導致電源輸出的電壓沒(méi)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(wàn)用表之間進(jìn)行分壓。隨著(zhù)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)引入的電阻導致的。在不同量程下，為了保證測量精度，萬(wàn)用表內部會(huì )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(gè)儀表廠(chǎng)商之間由于使用的串聯(lián)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(wàn)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(méi)有串聯(lián)萬(wàn)用表，電源輸出電流讀數為 10.2963mA。右圖中串聯(lián)有一個(gè)七位半的數字萬(wàn)用表，選用20mA量程。通過(guò)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(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。這對于小電流測量，是非常大的誤差。

示波器配合電流探頭進(jìn)行電流測量，由于使用霍爾效應，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，對于動(dòng)態(tài)電流的測量有很大的優(yōu)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(huì )有局限性。

相比這些傳統測量方式，近年來(lái)逐漸有越來(lái)越多的用戶(hù)開(kāi)始使用高精度電源進(jìn)行小電流測量，尤其是對于電池供電產(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(huì )產(chǎn)生影響，可以達到對電流環(huán)路的無(wú)損測量，這是傳統方式所無(wú)法達到的。

對應此類(lèi)應用的高精度電源，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(mǎn)足電子產(chǎn)品待機電流的測量要求。除了高分辨率的要求，同時(shí)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(wàn)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(huì )對小電流測量產(chǎn)生影響，因此線(xiàn)性電源是最好的選擇。最后就是，電源需要有良好的瞬態(tài)響應特性，因為大多數移動(dòng)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(huì )導致普通電源輸出電壓產(chǎn)生波動(dòng)。只有快速響應電源才能在此類(lèi)負載條件下維持電壓的穩定。常見(jiàn)的普通直流電源瞬態(tài)響應時(shí)間在幾百微秒至幾毫秒范圍，這表示當負載產(chǎn)生跳變（脈沖電流出現）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)間才能恢復正常，這種電壓波動(dòng)可能對待測件產(chǎn)生各種不良的影響。電壓的向上波動(dòng)可能損害待測件，而向下的波動(dòng)可能導致產(chǎn)品關(guān)機。專(zhuān)為動(dòng)態(tài)負載優(yōu)化過(guò)的快速響應電源，其瞬態(tài)恢復時(shí)間往往在100微秒以?xún)�，因此電壓輸出更為穩定，負載跳變時(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，針對小電流測試需求推出的高測量精度 電源產(chǎn)品。其設計思路是將六位半數字萬(wàn)用表與高性能直流電源相結合，同時(shí)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(shí)，可以精確測量產(chǎn)品的直流耗電信息，為產(chǎn)品的耗電性能測試和優(yōu)化提供幫助。

PMS 2280S 供提共四個(gè)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�？梢詰獙Υ郎y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(guò)設置積分時(shí)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(yōu)異的瞬態(tài)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(huì )對待測件產(chǎn)生不良影響。瞬態(tài)響應指標高達50μs，可代替電池為手機或其他移動(dòng)通信產(chǎn)品進(jìn)行供電。

同時(shí)電源提供四線(xiàn)輸出能力，可以消除線(xiàn)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(shí)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(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量功能，方便用戶(hù)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。

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