艾克赛普 电子设备低功耗测量解决方案
2023-12-21
在如今日益互联的世界中，电子设备更加智能，平衡电池性能和使用寿命也变得前所未有的重要。无论应用类型如何，“电池电量不足”警报都会带来极大不便。从在健身房中佩戴的无线耳机到智能手机中显示的数字购物清单，消费者每天都离不开电池供电设备。更重要的是，他们希望这些设备仅充电一次，电池即可长时间供电。这意味着工程师们始终面临着一个挑战：如何最大限度地延长电子产品的电池寿命。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。而其中的主要挑战在于，总负载功率并不限于在开机和稳态运行下进行测量，而是需要考虑多种运行状态。由于测量电压过低(通常在纳伏(nV)范围内)，在睡眠状态和瞬态等低功耗条件下会生成错误的数据读数。此外，一些电源事件的持续时间很短。这意味着，除了需要高精度的测量仪器外，提高采样率也是一个关键考量因素。
01 在多种电源状态下计算设备功耗
图01. 有功和睡眠状态下电压测量电路示例
02 使用数字万用表(DMM)读取低功耗测量值
数字万用表是最常见的低电平电压测量仪器之一。这种仪器通常利用其广泛的功能来纠正电压不确定度。为了确定该仪器的精度，以一个具有7½位精确度、± 1000 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为例。
图2摘自产品规范文档。在这种情况下，数字万用表的高级精度增强功能，如自动归零、模数转换器校准和失调清零等都已禁用。重要的是要了解，如果启用直流失调清零，可使数字万用表的整体精度提高2 uV。请注意，直流失调清零是一项高级功能，使用时注意事项较多，且需要多方权衡。为了便于讨论，在最差情况下，感测电阻两端的测量电压将为10 uV，因此我们可以暂时忽略直流失调清零。
尽管可以将数字万用表用于电压和电流测量模式，但我们将处于电压测量模式下同时并联一个外部分流电阻的数字万用表作为评估用例。由于可以自定义分流电阻的阻值，这通常是功耗测量的首选模式。
直流电压±(读数的ppm＋量程的ppm)
图02. PXIe-4081数字万用表产品规范
03 测用于低功耗测量的数据采集(DAQ)设备
DAQ设备通常用于采集多条通道中的电压和/或数据。尽管一些人认为DAQ设备是一种低成本测量工具，但部分高端型号也能提供出色的直流测量精度。为了便于说明，在此我们将考虑以下两个DAQ设备。首先是PXIe-6289，参数为32路AI(18位, 625 kS/s)，4路AO和48路DIO。同前述示例，以下精度计算将针对最差情况，即在低功耗模式下，测量设备功耗。通过图3，我们可以根据下述产品规范文档中的公式来计算直流精度。
AI绝对精度(滤波器开启)
图03. PXI-6289产品规范文档中的精度表
04 更高性能的DAQ设备
相比之下，我们可以使用更高性能的终端型号来测试上述多功能DAQ设备的性能。在第二个DAQ设备比较中，我们将评估NIPXIe-4309的性能。该设备具有高达2 MS/s的采样率、28位灵活分辨率、32通道和± 15 V输入范围。
与数字万用表类似，NI PXIe-4309具备其他精度技术，如自动归零、斩波和偏移，用于提高直流测量精度。为了更好地说明PXIe-4309附加功能带来的好处，我们先评估一个示例。在该示例中，我们启用了自动归零，但在采集开始时并未考虑失调清零。
这种情况下，在读取低电压时，启用自动归零采样明显提高了测量结果精度，而失调清零可以消除最大的误差来源，即4.5 uV的偏移误差。由于读数为10 uV，因此不需要启用失调清零功能。目前，我们仍将继续使用表4中的最小量程(0.1 V)。
每次采样自动归零模式的直流电压产品规范
图04. PXIe-4309产品规范文档中的精度表
05 评估仪器以找到适合低功耗验证的工具
如前所述，在评估低电压测量仪器时，精度是最重要的考量因素之一。此外，类似快速采样率等功能可捕获动态信号数据。除此之外，额外的通道可提供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，但精度上存在显著差异。首先，数字万用表能够在有功功率和低功耗模式提供准确的测量读数。其次，示波器因其高采样率而最适用于捕捉动态信号。然后，DAQ PXIe-6289的精度足以用于有功功率模式，但不足以在低功耗模式下测量。最后，PXIe-4309能在图5中所需的有功功率模式和低功耗模式下实现准确测量。
图05. 基于低功耗测量要求的各仪器性能比较
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