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

延長電池壽命的主要要求之一是能夠準確測量設備的總功耗。主要挑戰在于總負載功率不限于開機和穩態運行，而是需要在多種運行狀態下進行測量。由于需要測量的低電壓（通常在納伏 （nV） 范圍內），睡眠和瞬態等低功耗條件可能會產生不正確的數據讀數。此外，一些電力事件可能會持續很短的時間。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關鍵考慮因素。

計算具有多種電源狀態的設備的功耗

準確測量電子設備的功耗需要了解儀器選項和適當的測量設置。為了說明，請考慮圖 1 中的示例設備 。此圖說明了具有兩種狀態的簡單電路：活動模式和低功耗模式。V1 是測得的源電壓。這種測量對于電池來說是一個重要的考慮因素，因為它們會隨著時間的推移而失去動力。測量功耗需要 在電流檢測電阻器上進行第二次電壓測量，該電阻器在圖中標記為 R1。R2和R3表示被測設備的代表性負載，其中R3代表有功功率模式，R2代表低功率模式。

圖 1：活動和睡眠狀態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/模擬負載的開關

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重要方面。使用電壓測量儀器（如數字萬用表 （DMM）、數據采集 （DAQ） 設備或示波器）測量設備的電流消耗需要仔細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換為電流。適當調整此電阻器的大小可確保準確測量。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算感應電阻器上的預期電壓。請注意，電阻應足夠低以減少誤差，但又應足夠大以進行準確的壓降測量。對于我們的示例，我們選擇 100 mΩ 以實現準確的電流測量，同時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分流電阻器上的預期壓降。這些計算是電壓測量的前提，是了解不同儀器精度的基礎：

R2：低功耗模式條件

預期電流消耗 = （1 VDC）/（10 kΩ） = 100 μA

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

預期功耗 = 10 μV × 100 μA = 1 nW

R3：有功功率模式條件

預期電流消耗 = （1 VDC）/（1 Ω） = 1 A

分流電阻器上的預期壓降 = 1 A × 100 mΩ = 100 mV

預期功耗 = 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性，因此我們將重點關注低功耗條件下的精度計算。

請注意，當使用分流電阻器測量功耗時，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。但是，我們可以使用以下公式計算由于電阻容差引起的測量誤差。回想一下，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

選擇合適的測量設備來測試低功耗電路

在開始探索電壓和電流測量領域時，了解電壓、電流和電阻之間的關系至關重要。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、電源軌、電路和/或系統級的功耗。執行低功耗測量有多種選擇，但每一種都需要權衡。用于測量電壓的最常見設備是 DMM、示波器和 DAQ 設備。

使用 DMM 進行低功耗讀數

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 隔離數字化儀的 DMM。 圖2 摘自規范文件。在這種情況下，自動調零、ADC 校準和偏移歸零等高級 DMM 精度增強功能被禁用。如果啟用 DC 偏移歸零，DMM 的整體精度可以提高 2 μV，了解這一點很重要。請注意，DC 偏移歸零是一個高級主題，具有廣泛的警告和權衡。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，因為它允許您自定義分流電阻器的值。

圖 2：PXIe-4081 DMM 規格

以下等式有助于計算 DMM 的準確度最壞情況：

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

根據我們測量的電壓降 （10 μV），我們將考慮 100 mV 范圍的規格。使用上述公式，我們可以估算 DMM 的電壓測量精度。假設 DMM 在測量后 90 天內進行了自校準，我們可以使用以下數字：

讀數的 ppm = 27

ppm 范圍 = 7

范圍 = 100 mV

預期信號 = 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算電流讀數的精度：

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，檢測電阻器誤差可以忽略不計。因此，系統設置可以在低功耗狀態下以 ［Equation］27 μA 的精度測量 100 μA 電流消耗， 甚至無需使用直流調零。可以簡單地通過應用這種技術來提高準確性。

使用示波器進行低功耗讀數

示波器是第二種經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備功耗動態變化的首選儀器。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 示波器規格

計算示波器精度最壞情況是輸入范圍和垂直偏移的函數。對于此計算，我們將使用 1-MΩ 內阻，因為它更適合測量低電壓。在此示例中，我們將評估電壓讀數為 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。 計算精度的公式直接取自規范文檔，如圖 3所示 ：

請注意，當設備的電路板溫度自上次校準以來超過 ±3?C 時，也需要考慮 DC/DC 漂移，如規格文件中所述。由于溫度因設備而異，我們不會將其考慮在內，并假設小于 ±3?C。請注意，表 3 的規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算電流讀數的精度：

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，使用示波器的系統的電流測量精度將產生僅為 6.5 mA 的電流測量精度，這不足以準確測量 100 μA 的低功耗狀態電流消耗。 但是，示波器可以在合理的精度水平內準確測量處于活動狀態的設備的功耗，并且通常用于表征活動設備的瞬態功耗行為。

用于低功耗測量的 DAQ 設備

DAQ 設備通常用于采集多個通道上的電壓和/或數據。盡管有些人可能認為 DAQ 設備是一種低成本的測量工具，但一些高端型號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 DAQ 設備。第一個是 PXIe-6289，它是一個 32 AI（18 位，625 kS/s）、4 個 AO 和 48 個 DIO。與上面的示例一樣，以下精度計算將解決最壞情況，即測量設備低功耗模式下的功耗。使用 圖 4，我們可以使用以下規格文檔中的公式計算直流精度。

圖 4：規范文檔中的 PXI-6289 精度表

使用絕對精度，“讀數”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算得出的。在計算增益和失調誤差時，我們假設上次校準和增益溫度系數（增益溫度系數）為 17 ppm/°C，參考溫度系數為 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算電流讀數的精度：

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

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

更高性能的數據采集設備

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據采集設備的性能。在我們的第二個 DAQ 設備比較中，我們將評估 NI PXIe-4309 的性能。該器件具有高達 2 MS/s 的采樣率、28 位靈活分辨率、32 個通道和 ±15V 輸入范圍。

與數字萬用表類似，NI PXIe-4309 使用額外的精度技術，例如自動歸零、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，讓我們評估一個示例，其中啟用自動歸零，但在采集開始時不考慮偏移零點。在這種情況下，自動歸零采樣在讀取低電壓時增加了最顯著的改進，而偏移歸零消除了最大的誤差源，即讀取低電壓時 4.5 μV 的偏移誤差。因為我們的讀數是 10 μV，所以不需要偏移歸零功能。現在，我們將繼續使用圖 5 中的最小量程 （0.1 V）。

圖 5：規范文檔中的 PXIe-4309 精度表

如前所述，數據采集設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周期的場景。在此示例中，可以通過查看表 5 中的規范文檔來確定快速準確度假設。兩年校準后，總誤差的偏移部分為 4.7 μV。可以使用線性度、噪聲和殘余偏移計算偏移誤差的等式，這些可在規范文檔（表 6）中找到。以下等式有助于計算設備的整體精度：

根據我們測量的電壓降 （10 μV），我們將考慮與以前相同的 100 mV 范圍規格。假設 PXIe-4309 在測量后的兩年內進行了校準，我們可以使用以下數字：

失調誤差 = 4.5 μV（在低于 5?C 的情況下歸零考慮這一點）

→ 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，同時以每秒 10 個樣本進行采樣。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算電流讀數的精度：

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

根據以上計算，我們可以確定 PXIe-4309 DAQ 設備可以在 ±47.5 μA 的精度內測量電流消耗，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也可以顯著提高此測量的準確度，甚至可實現優于 ±1 μA 的準確度性能。

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證的設備

如前所述，在評估低壓測量儀器時，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態信號的數據。除此之外，額外的通道提供了測量多個電源軌的適應性。總體結果表明，盡管大多數儀器都配備了電壓讀數，但精度存在顯著差異。首先，數字萬用表將能夠準確讀取活動模式和低功耗模式。其次，由于采樣率高，示波器最適合捕獲動態信號。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現更準確的功率驗證，進而提高產品性能。在消費者希望他們的電子設備一次充電后保持更長時間供電的市場中，選擇 PXIe-4309 等高性能儀器有助于快速有效地驗證設備的功耗。總體而言，PXIe-4309 模擬輸入模塊的性能優于示波器和同類 DAQ 設備。它甚至可以與 7 ? 位數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，可提供足夠的測量密度，以滿足復雜電子設計中現代電源驗證的要求。

審核編輯：郭婷