掌握低功耗验证，提高产品性能

准确测量电子器件的功耗需要了解仪器选项和相应的测量设置。在此，以图1中的设备为示例加以说明。此结构框图所示为两种状态下的简单电路：有功功率模式和低功耗模式。V1为所测得的电源电压。随着时间的推移，电池的功率会逐渐降低，就电池而言该测量结果则是一个重要的考量因素。测量功耗需要在电流感测电阻（在图中标记为R1）两端进行二次电压测量。R2和R3表示待测设备的典型负载，其中R3代表有功功率模式，R2代表低功耗模式。

^{图1：有功和睡眠状态下电压测量电路示例}

V1 = 1 VDC（电源电压） 

R1 = 100 mΩ（电流感测电阻，用于测量电压）

R2 = 10 kΩ（有功功率模式中的电阻）

R3 = 1 Ω（低功耗模式中的电阻）

S1和S2 = 应用/仿真负载的开关

分流电阻的重要性

外部分流或电流感测电阻是功耗测量的一个重要部分。使用如数字万用表(DMM)、数据采集(DAQ)设备或示波器等电压测量仪器来测量设备的消耗电流时，需要仔细注意分流电阻的大小和容许偏差。在这种情况下，分流电阻用于测量压降并将其转换为电流。适当调整电阻大小可确保测量结果准确。

在图1中，R1（100mΩ，0.1%容许偏差）电阻表示所测压降，且必须使用仪器进行测量。此处，我们可以使用欧姆定律计算感测电阻两端的预期电压。请注意，电阻应足够小以减少误差，但又应足够大以精确测量压降。在此示例中，我们选择100mΩ的电阻以精确测量电流，同时最大限度减少测量电阻的功耗。

根据有功功率和低功耗模式下的模型，我们可以使用以下公式估算分流电阻的预期压降。这些计算是电压测量的前提，也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 VCD}/_{10 kΩ} = 100 uA

分流电阻两端的预期压降 = 100 uA × 100 mΩ = 10 uV

预期功耗 = 10 uV × 100 uA = 1 nW

R3：有功功率模式条件 

预期电流消耗 = ^{1 VCD}/_{1 Ω} = 1 A

分流电阻两端的预期压降 = 1 A × 100 mΩ = 100 mV

预期功耗 = 100 mV × 1 A = 100 mW

如上所示，低功耗模式条件下，分流电阻两端的压降最小。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，在使用分流电阻测量功耗时，测量的总误差将包括设备误差和配置误差。为了便于说明，我们假设与分流电阻R1和电源电压V1相连接的布线和连接件上的任何压降都可以忽略不计。然而，我们可以使用以下公式计算电阻容许偏差引起的测量误差：回顾一下，在本示例中，有功功率模式的预期压降测量值为100 mV，低功耗模式下的预期压降为10 uV：

R1感测电阻值 = 100 mΩ，0.1%

感测电阻R1误差(V) = 10 uVv × 0.1% = 10 nV

感测电阻电流误差(A) = ^{10 nV}/_{100 mΩ} = 100 nA

在开启电压和电流测量领域探索之旅时，了解电压、电流和电阻之间的关系至关重要。仪器通常用于测量电压或电流，因此我们将使用欧姆定律来确定集成电路级、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，但每种选择都各有利弊。最常用的电压测量设备是DMM、示波器和DAQ设备。

使用DMM进行低功耗读数

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DMM (PXIe-4081)为例。表1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2uV。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10uV，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）

表1： PXIe-4081数字万用表产品规范

以下公式有助于计算数字万用表在最差情况下的精度：

精度 = ±(^A/_1,000,000) × 读数 + (^B/_1,000,000) ×量程

A = 读数部分的ppm

B = 量程部分的ppm

注：如果未调零，则增加2 uV

根据所测得的压降(10 uV)，我们将考虑100 mV量程的产品规范。使用前述公式，可以估算出DMM的电压测量精度。假设数字万用表在测量后90天内进行自校准，我们可以使用以下数字：

读数的ppm = 27

量程的ppm = 7

量程 = 100 mV

预期信号 = 10 uV

精度 = 700 nV + 2 uV = 2.7 uV

在计算得出仪器的精度是±2.7 uV后，我们可以通过欧姆定律、仪器的精度和感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 uA

总误差 = 测量误差 + 感测电阻误差 = ±27 uA + 100 nA = ±27.1 uA

功耗误差 = 2.7 uV × 27.1 uA = 73.17 pW

根据这些公式，使用具有1%容许偏差的电阻时，感测电阻的误差可以忽略不计。因此，系统设置能够在低功耗状态下以±27uA的精度测量100uA的消耗电流，甚至无需使用直流失调清零。仅通过应用该技术就可以提高精度。

使用示波器读取低功耗测量值

示波器是功率测量常用的第二类仪器。鉴于其大带宽和高采样率，示波器往往是表征设备功耗动态变化的首选仪器。为便于说明，我们使用NI PXIe-5163示波器，其采样率为1 GS/s，频率为200 MHz，分辨率为14位。

^{表2： PXIe-5163示波器产品规范}

在最差情况下，计算示波器精度则涉及有关输入范围和垂直偏移量的函数。我们将使用1MΩ的内部电阻进行计算，因为这更适用于低电压测量。在此示例中，我们将在电压读数为10uV的低功耗模式下，计算感测电阻两端的压降。通过测量，我们确定垂直偏移量为0，全量程输入范围为0.25 V。根据图3中所示的产品规范，可以直接得到计算精度的公式：

精度= ±[（0.65% ×|读数 - 垂直偏移量|）+（0.4% ×|垂直偏移量|）+（全量程的0.2%）+ 0.15 mV]

精度 = ±[(0.65% × |(10 uV - 0 V)|) + (0.4% × |0 V|) + (0.2% × 0.25 V) + 0.15 mV] = ±650.01 uV

请注意，如产品规范文档中所述，自上次校准后，若设备电路板温度变化超过±3 ºC，直流/直流漂移也需要考虑在内。由于温度因设备而异，因此我们并未考虑该因素，并假设温度变化小于±3ºC。请注意，表3的产品规范中列出了垂直偏移量。

在计算得出仪器的精度是±650 uV后，我们可以通过欧姆定律、仪器的精度和感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 uV}/_{100 mΩ}= ±6.5 mA

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

功耗误差 = 650 uV × 6.5 mA = 4.23 uW

根据前述公式可知，在系统中使用示波器时，其电流测量精度仅为6.5 mA，这不足以准确测量100 uA低功耗状态下的消耗电流。然而，在合理的精度范围内，示波器可以准确地测量设备在有功功率状态下的功耗－这经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PXI-6289，参数为32路AI（18位，625 kS/s），4路AO和48路DIO模块。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。通过表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。

表3： PXI-6289产品规范文档中的精度表

绝对精度 = (读数 × 增益误差) + (量程 × 偏移误差) + 噪声不确定度

使用绝对精度，“读数”则为感测电阻两端的压降(10 uV)。此外，我们将使用尽可能小的输入范围(0.1 V)。请注意，可通过其他计算得到增益误差和偏移误差。在计算增益误差和偏移误差时，我们将假设上次校准与如今的温度变化为5 ºC以及增益温度系数为17 ppm/ºC、参考温度系数为1 ppm/ºC、INL误差为量程的10 ppm。

增益误差 = 残余AI增益误差 + 增益温度系数 × 上次内部校准至今的温度改变值 + 参考温度系数 × 上次内部校准至今的温度改变值

偏移误差 = 残余偏移误差 + 偏移温度系数 × 上次内部校准至今的温度改变值 + INL误差噪声不确定度

噪声不确定度 = ^{随机噪声 × 3}/_√100

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

偏移误差 = (60 ppm + (60 ppm × 5)) + 10 ppm = 372 ppm

噪声不确定度 = ^{9 uV × 3}/_√100 = 2.7 uV

绝对精度 = 0.1 V × (210 ppm) + 0.1 V × (372 ppm) + 2.7 uV = 60.7 uV

将所有可能的误差相加后，即得到该仪器的直流精度为60.7 uV。现在我们可以通过欧姆定律、仪器的精度和感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 = ±^{60.7 uV}/_{100 mΩ}= ±607 uA

总误差 = 测量误差 + 感测误差 = ±607 uA + 100 nA = ±607 uA

功耗误差 = 60.7 uV × 607 uA = 36.85 nW

将该计算结果应用于图1中的电路，我们可以看到，这款特定DAQ设备的测量电流精度在实际电流消耗的±1 mA范围内。因此，尽管该DAQ设备可能足以表征设备有功功率状态(1A)下的功耗，但并不具备在低功耗模式(100uA)下消耗电流的测量精度。

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NI PXIe-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具备更多精度技术，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4.5uV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)。

^{*源阻抗≤50 Ω†相对于外部校准源‡假设失调清零**采样率≤S/s}

^{††仅在规定的自校准温度区间外运行时，计算绝对精度值才需要加上温度系数。}

^{在规定的自校准温度区间内，绝对精度值已包含温度系数。}

表4： PXIe-4309产品规范文档中的精度表

如前所述，DAQ设备的最大误差来源之一是偏移误差。在这种情况下，我们将考虑以下情况：校准周期为2年，电压范围为0.1V。在此示例中，可通过查看表5中的产品规范来快速确定精度假设。在2年的校准周期中，总误差中包含的偏移误差为4.7uV。可使用产品规范文档（表6），通过线性度、噪声和残余偏移计算偏移误差公式。以下公式有助于计算设备的整体精度：

偏移误差 = 残余偏移 + 线性度

线性误差 = 100 mV量程内的5 ppm =⁵/_1,000,000= 0.0000005 V

残余偏移 = 4 uV

噪声 = 噪声(RMS) × √2 = 0.00000054 V

增益误差 = 60 ppm = (⁶⁰/_1,000,000 = 0.00006)

精度：偏移误差 + 噪声 + 增益误差

根据我们测量的压降(10 uV)，我们将考虑与前述相同的产品规范，即100 mV量程。假设PXIe-4309在测量后2年内进行校准，我们可以使用以下数字：

偏移误差 = 4.5 uV（可用小于5 ºC的调零来解决）

线性度 = 0.1 V × 5 ppm = 500 nV

残余偏移 = 4 uV

噪声 = 20 nVrms × 1.414213562 = 28 nV（峰间值）

增益误差= 10 uV × 60 ppm = 600 pV

精度 = 4.7 uV + 28 nV + 600 pV = 4.73 uV

将所有可能的误差相加后，采样率为每秒10次时，PXIe-4309在未调零的情况下直流精度为4.73 uV。与前述示例一样，可以通过欧姆定律、仪器的精度和感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 uV}/_{100 mΩ}= ±47.3 uA

总误差 = 测量误差 + 感测电阻误差 = ±47.3 uA + 100 nA = ±47.4 uA

功耗误差 = 4.7 uV × 47.4 uA = 222.78 pW

基于上述计算，我们可以确定PXIe-4309 DAQ设备能够在±47.5 uA的精度范围内测量消耗电流，而无需启用失调清零校准。请注意，直流偏移量是总测量误差的重要组成部分。因此，即使是基本的调零技术也能显著提高测量精度，即便是使用前述测量配置，也可以使精度性能优于±1uA。

如前所述，在评估低压测量仪器以及动态信号的快速采样率数据采集等功能时，精度是最重要的考量因素之一。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合捕捉动态信号。然后，DAQ PXI-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1中所需的有功功率模式和低功耗模式下实现准确测量。

^{表5： 基于低功耗测量要求的各仪器性能比较}

选择合适的工具进行低功耗测量，可更精确地进行功耗验证，进而提高产品性能。在如今的市场环境中，消费者希望电子设备在充电一次后，电池即可长时间供电。选择PXIe-4309等高性能仪器有助于快速高效地验证设备功耗。总的来说，PXIe-4309模拟输入模块的性能优于示波器和类似的DAQ设备。在测量这些小阻值分流电阻的电流时，PXIe-4309甚至可以与7½位数字万用表的性能相媲美。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功耗验证的要求。

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