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艾克賽普 電子設(shè)備低功耗測(cè)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(wú)論應(yīng)用類型如何，“電池電量不足”警報(bào)都會(huì)帶來(lái)極大不便。從在健身房中佩戴的無(wú)線耳機(jī)到智能手機(jī)中顯示的數(shù)字購(gòu)物清單，消費(fèi)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(zhǎng)時(shí)間供電。這意味著工程師們始終面臨著一個(gè)挑戰(zhàn)：如何最大限度地延長(zhǎng)電子產(chǎn)品的電池壽命。延長(zhǎng)電池壽命的主要要求之一是能夠準(zhǔn)確測(cè)量設(shè)備的總功耗。而其中的主要挑戰(zhàn)在于，總負(fù)載功率并不限于在開機(jī)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下進(jìn)行測(cè)量，而是需要考慮多種運(yùn)行狀態(tài)。由于測(cè)量電壓過(guò)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(huì)生成錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)讀數(shù)。此外，一些電源事件的持續(xù)時(shí)間很短。這意味著，除了需要高精度的測(cè)量?jī)x器外，提高采樣率也是一個(gè)關(guān)鍵考量因素。
01 在多種電源狀態(tài)下計(jì)算設(shè)備功耗
圖01. 有功和睡眠狀態(tài)下電壓測(cè)量電路示例
02 使用數(shù)字萬(wàn)用表(DMM)讀取低功耗測(cè)量值
數(shù)字萬(wàn)用表是最常見的低電平電壓測(cè)量?jī)x器之一。這種儀器通常利用其廣泛的功能來(lái)糾正電壓不確定度。為了確定該儀器的精度，以一個(gè)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(wàn)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(wàn)用表的高級(jí)精度增強(qiáng)功能，如自動(dòng)歸零、模數(shù)轉(zhuǎn)換器校準(zhǔn)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(wàn)用表的整體精度提高2 uV。請(qǐng)注意，直流失調(diào)清零是一項(xiàng)高級(jí)功能，使用時(shí)注意事項(xiàng)較多，且需要多方權(quán)衡。為了便于討論，在最差情況下，感測(cè)電阻兩端的測(cè)量電壓將為10 uV，因此我們可以暫時(shí)忽略直流失調(diào)清零。
盡管可以將數(shù)字萬(wàn)用表用于電壓和電流測(cè)量模式，但我們將處于電壓測(cè)量模式下同時(shí)并聯(lián)一個(gè)外部分流電阻的數(shù)字萬(wàn)用表作為評(píng)估用例。由于可以自定義分流電阻的阻值，這通常是功耗測(cè)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(wàn)用表產(chǎn)品規(guī)范
03 測(cè)用于低功耗測(cè)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(rèn)為DAQ設(shè)備是一種低成本測(cè)量工具，但部分高端型號(hào)也能提供出色的直流測(cè)量精度。為了便于說(shuō)明，在此我們將考慮以下兩個(gè)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(jì)算將針對(duì)最差情況，即在低功耗模式下，測(cè)量設(shè)備功耗。通過(guò)圖3，我們可以根據(jù)下述產(chǎn)品規(guī)范文檔中的公式來(lái)計(jì)算直流精度。
AI絕對(duì)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(hào)來(lái)測(cè)試上述多功能DAQ設(shè)備的性能。在第二個(gè)DAQ設(shè)備比較中，我們將評(píng)估NIPXIe-4309的性能。該設(shè)備具有高達(dá)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(wàn)用表類似，NI PXIe-4309具備其他精度技術(shù)，如自動(dòng)歸零、斬波和偏移，用于提高直流測(cè)量精度。為了更好地說(shuō)明PXIe-4309附加功能帶來(lái)的好處，我們先評(píng)估一個(gè)示例。在該示例中，我們啟用了自動(dòng)歸零，但在采集開始時(shí)并未考慮失調(diào)清零。
這種情況下，在讀取低電壓時(shí)，啟用自動(dòng)歸零采樣明顯提高了測(cè)量結(jié)果精度，而失調(diào)清零可以消除最大的誤差來(lái)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(dòng)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(píng)估儀器以找到適合低功耗驗(yàn)證的工具
如前所述，在評(píng)估低電壓測(cè)量?jī)x器時(shí)，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(dòng)態(tài)信號(hào)數(shù)據(jù)。除此之外，額外的通道可提供測(cè)量多個(gè)電源軌的適應(yīng)性。總體結(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(wàn)用表能夠在有功功率和低功耗模式提供準(zhǔn)確的測(cè)量讀數(shù)。其次，示波器因其高采樣率而最適用于捕捉動(dòng)態(tài)信號(hào)。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(cè)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(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量。
圖05. 基于低功耗測(cè)量要求的各儀器性能比較
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