艾克賽普 電子設(shè)備低功耗測量解決方案
2023-12-21
在如今日益互聯(lián)的世界中，電子設(shè)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(yīng)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(shù)字購物清單，消費者每天都離不開電池供電設(shè)備。更重要的是，他們希望這些設(shè)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(zhàn)：如何最大限度地延長電子產(chǎn)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(shè)備的總功耗。而其中的主要挑戰(zhàn)在于，總負載功率并不限于在開機和穩(wěn)態(tài)運行下進行測量，而是需要考慮多種運行狀態(tài)。由于測量電壓過低(通常在納伏(nV)范圍內(nèi))，在睡眠狀態(tài)和瞬態(tài)等低功耗條件下會生成錯誤的數(shù)據(jù)讀數(shù)。此外，一些電源事件的持續(xù)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(guān)鍵考量因素。
01 在多種電源狀態(tài)下計算設(shè)備功耗
圖01. 有功和睡眠狀態(tài)下電壓測量電路示例
02 使用數(shù)字萬用表(DMM)讀取低功耗測量值
數(shù)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(shù)字化儀的數(shù)字萬用表為例。
圖2摘自產(chǎn)品規(guī)范文檔。在這種情況下，數(shù)字萬用表的高級精度增強功能，如自動歸零、模數(shù)轉(zhuǎn)換器校準和失調(diào)清零等都已禁用。重要的是要了解，如果啟用直流失調(diào)清零，可使數(shù)字萬用表的整體精度提高2 uV。請注意，直流失調(diào)清零是一項高級功能，使用時注意事項較多，且需要多方權(quán)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(diào)清零。
盡管可以將數(shù)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(lián)一個外部分流電阻的數(shù)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(shù)的ppm＋量程的ppm)
圖02. PXIe-4081數(shù)字萬用表產(chǎn)品規(guī)范
03 測用于低功耗測量的數(shù)據(jù)采集(DAQ)設(shè)備
DAQ設(shè)備通常用于采集多條通道中的電壓和/或數(shù)據(jù)。盡管一些人認為DAQ設(shè)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(shè)備。首先是PXIe-6289，參數(shù)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(shè)備功耗。通過圖3，我們可以根據(jù)下述產(chǎn)品規(guī)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(chǎn)品規(guī)范文檔中的精度表
04 更高性能的DAQ設(shè)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(shè)備的性能。在第二個DAQ設(shè)備比較中，我們將評估NIPXIe-4309的性能。該設(shè)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(shù)字萬用表類似，NI PXIe-4309具備其他精度技術(shù)，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(diào)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(jié)果精度，而失調(diào)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(shù)為10 uV，因此不需要啟用失調(diào)清零功能。目前，我們?nèi)詫⒗^續(xù)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(chǎn)品規(guī)范
圖04. PXIe-4309產(chǎn)品規(guī)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(tài)信號數(shù)據(jù)。除此之外，額外的通道可提供測量多個電源軌的適應(yīng)性?？傮w結(jié)果表明，盡管大多數(shù)儀器都配備了電壓讀數(shù)，但精度上存在顯著差異。首先，數(shù)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(shù)。其次，示波器因其高采樣率而最適用于捕捉動態(tài)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(xiàn)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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