艾克賽普 電子設備低功耗測量解決方案
2023-12-21
在如今日益互聯的世界中，電子設備更加智能，平衡電池性能和使用壽命也變得前所未有的重要。無論應用類型如何，“電池電量不足”警報都會帶來極大不便。從在健身房中佩戴的無線耳機到智能手機中顯示的數字購物清單，消費者每天都離不開電池供電設備。更重要的是，他們希望這些設備僅充電一次，電池即可長時間供電。這意味著工程師們始終面臨著一個挑戰：如何最大限度地延長電子產品的電池壽命。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。而其中的主要挑戰在于，總負載功率并不限于在開機和穩態運行下進行測量，而是需要考慮多種運行狀態。由于測量電壓過低(通常在納伏(nV)范圍內)，在睡眠狀態和瞬態等低功耗條件下會生成錯誤的數據讀數。此外，一些電源事件的持續時間很短。這意味著，除了需要高精度的測量儀器外，提高采樣率也是一個關鍵考量因素。
01 在多種電源狀態下計算設備功耗
圖01. 有功和睡眠狀態下電壓測量電路示例
02 使用數字萬用表(DMM)讀取低功耗測量值
數字萬用表是最常見的低電平電壓測量儀器之一。這種儀器通常利用其廣泛的功能來糾正電壓不確定度。為了確定該儀器的精度，以一個具有7?位精確度、± 1000 V最大輸入范圍和板載1.8 MS/s隔離數字化儀的數字萬用表為例。
圖2摘自產品規范文檔。在這種情況下，數字萬用表的高級精度增強功能，如自動歸零、模數轉換器校準和失調清零等都已禁用。重要的是要了解，如果啟用直流失調清零，可使數字萬用表的整體精度提高2 uV。請注意，直流失調清零是一項高級功能，使用時注意事項較多，且需要多方權衡。為了便于討論，在最差情況下，感測電阻兩端的測量電壓將為10 uV，因此我們可以暫時忽略直流失調清零。
盡管可以將數字萬用表用于電壓和電流測量模式，但我們將處于電壓測量模式下同時并聯一個外部分流電阻的數字萬用表作為評估用例。由于可以自定義分流電阻的阻值，這通常是功耗測量的首選模式。
直流電壓±(讀數的ppm＋量程的ppm)
圖02. PXIe-4081數字萬用表產品規范
03 測用于低功耗測量的數據采集(DAQ)設備
DAQ設備通常用于采集多條通道中的電壓和/或數據。盡管一些人認為DAQ設備是一種低成本測量工具，但部分高端型號也能提供出色的直流測量精度。為了便于說明，在此我們將考慮以下兩個DAQ設備。首先是PXIe-6289，參數為32路AI(18位, 625 kS/s)，4路AO和48路DIO。同前述示例，以下精度計算將針對最差情況，即在低功耗模式下，測量設備功耗。通過圖3，我們可以根據下述產品規范文檔中的公式來計算直流精度。
AI絕對精度(濾波器開啟)
圖03. PXI-6289產品規范文檔中的精度表
04 更高性能的DAQ設備
相比之下，我們可以使用更高性能的終端型號來測試上述多功能DAQ設備的性能。在第二個DAQ設備比較中，我們將評估NIPXIe-4309的性能。該設備具有高達2 MS/s的采樣率、28位靈活分辨率、32通道和± 15 V輸入范圍。
與數字萬用表類似，NI PXIe-4309具備其他精度技術，如自動歸零、斬波和偏移，用于提高直流測量精度。為了更好地說明PXIe-4309附加功能帶來的好處，我們先評估一個示例。在該示例中，我們啟用了自動歸零，但在采集開始時并未考慮失調清零。
這種情況下，在讀取低電壓時，啟用自動歸零采樣明顯提高了測量結果精度，而失調清零可以消除最大的誤差來源，即4.5 uV的偏移誤差。由于讀數為10 uV，因此不需要啟用失調清零功能。目前，我們仍將繼續使用表4中的最小量程(0.1 V)。
每次采樣自動歸零模式的直流電壓產品規范
圖04. PXIe-4309產品規范文檔中的精度表
05 評估儀器以找到適合低功耗驗證的工具
如前所述，在評估低電壓測量儀器時，精度是最重要的考量因素之一。此外，類似快速采樣率等功能可捕獲動態信號數據。除此之外，額外的通道可提供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，但精度上存在顯著差異。首先，數字萬用表能夠在有功功率和低功耗模式提供準確的測量讀數。其次，示波器因其高采樣率而最適用于捕捉動態信號。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測量。最后，PXIe-4309能在圖5中所需的有功功率模式和低功耗模式下實現準確測量。
圖05. 基于低功耗測量要求的各儀器性能比較
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