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实现准确的低功耗验证

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123457281 显示全部楼层 发表于 2022-1-13 00:24:03 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
在一个日益互联的世界中,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像现在这样重要。无论应用程序如何,“电池电量不足”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,他们希望这些设备一次充电就能保持更长的供电时间。这意味着工程师一直面临着如何最大限度地延长电子设备的电池寿命的挑战。
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仅限于上电和稳态运行,还需要在多个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,一些电源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。为了说明这一点,请考虑图 1 中的示例器件。该图说明了一个具有两种状态的简单电路:有源模式和低功耗模式。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电力。测量功耗需要在电流检测电阻上进行第二次电压测量,该电阻在图中标记为 R1。R2 和 R3 说明了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。

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 的有功功率模式电阻器
R3 = 1 Ω 的低功耗模式电阻器
S1 & S2 = 应用/模拟负载的开关
分流电阻的重要性
外部分流或电流检测电阻器是功耗测量的一个重要方面。使用数字万用表 (DMM)、数据采集 (DAQ) 设备或示波器等电压测量仪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电压降并将其转换为电流。适当调整此电阻器的大小可确保精确测量。在图 1 中,R1(100 mΩ,0.1% 容差)电阻器代表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电压降测量。
根据我们的有源和低功耗模式模型,我们可以使用下面的等式估计分流电阻器上的预期电压降。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电压降 = 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电压降 = 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电压降都可以忽略不计。但是,我们可以使用以下等式计算由于电阻容差引起的测量误差。回想一下,在本例中,有功功率模式测量值为 100 mV,低功耗模式测量值为 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,因此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取舍。用于测量电压的最常见设备是数字万用表、示波器和 DAQ 设备。
使用 DMM 进行低功耗读数
数字万用表是用于低电平电压测量的最常用仪器之一。它们通常利用广泛的功能来纠正电压不确定性。为了确定该仪器的精度,让我们考虑一个具有 7 ½ 位精度、±1,000-V 最大输入范围和板载 1.8-MS/s 隔离数字化仪的数字万用表。图 2 摘自规范文档。在这种情况下,高级 DMM 精度增强功能(例如自动归零、ADC 校准和偏移归零)被禁用。重要的是要了解,如果启用 DC 偏移归零,则 DMM 的整体精度可以提高 2 µV。请注意,DC 偏移归零是一个高级主题,有很多注意事项和权衡取舍。出于讨论的目的,在最坏情况下,检测电阻两端的测量电压将为 10 µV,
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器的用例。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。

以下等式有助于计算 DMM 在最坏情况下的准确度:

a = 读数成分的 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。使用上面的公式,我们可以估计 DMM 的电压测量精度。假设 DMM 在测量后的 90 天内进行了自我校准,我们可以使用以下数字:
读数的 ppm = 27
范围的 ppm = 7
范围 = 100 mV
预期信号 = 10 µV
准确度 = 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、仪器的精度和检测电阻误差来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
正如我们从上述等式中观察到的,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 [Equation] 27 µA 的精度内测量低功耗状态下的 100 µA 电流消耗,甚至无需使用 DC 归零。只需应用此技术即可提高准确性。
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,我们使用具有 1-GS/s 采样率、200 MHz 和 14 位分辨率的 NI PXIe-5163 示波器。

计算示波器在最坏情况下的精度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 内部电阻,因为它更适合测量低电压。在本例中,我们将在电压读数为 10 µV 的低功耗模式下评估检测电阻器上的压降。在此测量中,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格文档,如图 3 所示:

请注意,当器件的电路板温度自上次校准后超过 ±3˚C 时,还需要考虑 DC/DC 漂移,如规范文档中所述。由于温度因设备而异,我们不会考虑它并假设低于±3˚C。请注意,表 3 的规格中提供了垂直偏移。
知道仪器精度为 ±650 µV,我们可以使用欧姆定律、仪器的精度和检测电阻误差来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. 然而,示波器可以在合理的准确度范围内准确地测量处于活动状态的设备的功耗,并且通常用于表征有源设备的瞬态功耗行为。
用于低功耗测量的 DAQ 设备
DAQ 设备通常用于在多个通道上采集电压和/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,是一个 32 AI(18 位,625 kS/s)、4 AO 和 48 DIO。与上述示例一样,以下精度计算将解决最坏情况,即在设备的低功耗模式下测量功耗。使用 图 4,我们可以使用下面规格文档中的公式计算 DC 精度。


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

噪声不确定性 = (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
噪声不确定性 = (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的 ±1 mA 范围内的电流精度。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) 下的电流消耗的准确性。
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 ±15-V 输入范围。
与数字万用表类似,NI PXIe-4309 使用自动归零、斩波和偏移等附加精度技术来提高直流测量精度。为了更好地说明 PXIe-4309 的附加功能带来的好处,让我们评估一个启用自动归零的示例,但在采集开始时不考虑偏移零。在这种情况下,自动调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,即在读取低电压时 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 中的最小范围 (0.1 V)。

如前所述,来自 DAQ 设备的最大误差源之一是偏移误差。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情况。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。总误差的偏移部分为 4.7 µV,经过两年校准。可以使用规范文档(表 6)中的线性度、噪声和残余偏移来计算偏移误差等式。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),我们将考虑与之前相同的 100 mV 范围的规格。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据:
偏移误差 = 4.5 μV(用低于 5˚C 的零位来解决此问题)
→ 线性度 = 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
加上所有可能的误差后,PXIe-4309 在以每秒 10 个样本进行采样时,无归零的 DC 精度为 4.73 µV。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
根据上述计算,我们可以确定 PXIe-4309 DAQ 设备可以在 ±47.5 µA 的精度范围内测量电流消耗,而无需校正偏移归零。请注意,直流偏移是整体测量误差的重要部分。因此,即使使用上述测量配置,即使是基本的归零技术也可以显着提高该测量的精度,甚至使精度性能优于 ±1 µA。

评估仪器以找到适合低功率验证的仪器
如前所述,精度是评估低压测量仪器时最重要的考虑因素之一。此外,快速采样率等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和低功耗模式。其次,示波器因其高采样率而最适合捕捉动态信号。第三,DAQ PXIe-6289 足以读取有功功率模式,但不足以测量低功率模式。最后,PXIe-4309 将能够准确测量图 1 中所需的有源和低功耗模式。
选择正确的工具来测量低功耗会导致更准确的功率验证,进而提高产品性能。在消费者希望他们的电子设备通过一次充电保持更长时间供电的市场中,选择像 PXIe-4309 这样的高性能仪器可以帮助快速有效地验证您的设备的功耗。总体而言,PXIe-4309 模拟输入模块的性能优于示波器和类似的 DAQ 设备。在测量这些低欧姆分流电阻器上的电流时,它甚至可以与 7 ½ 位数字万用表的性能相媲美。由于通道数更多,PXIe-4309 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。
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来源:https://blog.caogenba.net/qq_40234985/article/details/122417183
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