标签: 动态电流测量

   在文章 零压降动态电流测量 – 程控电源技术和应用（ 33 ） 中 ， 我们谈到了 Agilent N6781A 2 象限 SMU 电源模块 零压降测量动态电流的能量。就是将 N6781A 串联在电流回路中，充电电流表的角色。 N6781A 具有无缝测量范围切换特性，可测量从纳安级至 +/-3 A 的最大电流值。 当然，安捷伦的 N6782A 电源模块也有同样的功能。 但有些工程师希望利用这个方法，测量更高的动态和峰值电流。当然，一个方法就是采用安捷伦最新的 APS 电源。另一个方法，也可以利用现有的 N6782A SMU 电源模块，配合 N6705 直流电源分析仪中的更大电流的模块一同来使用。 有位 用户使用N6782A已经很长时间了，他非常喜欢 N6782A 的功能。 但他有个的产品，在待机和休眠状态下，耗电电流在几微安， 一旦被唤醒， 产品进入工作状态，其工作电流可以到达 6A ， 甚至更高。 N6782A 的电流为 +/- 3 A ，不足以满足这个产品的测试要求。 我们为他设计了一个巧妙的方法，利用N6705B直流电源分析仪和 N6782A SMU 模块，再配上另外一个高性能、大电流的模块，一起完成这项工作。 图 1 是系统 设置.   图 1 ： 与处于活动状态的大电流结合时 ， 微安电流测量的设置     在这个系统配置中， N6705B 主机不仅装入了 N6782A SMU 模块，还插入了 N6752A 自动量程的高性能模块，100W功率，50V的最大电压和10A的最高电流，用这个模块为被测件提供更高的功率。 N6782A 可作为零压降的电流表使用，与 N6752A 的输出端串联。当电流范围在几微安至 +/- 3 A 之间时，电流直接通过 N6782A ，将其 输出电压保持在零，它就工作在零阻抗的电流测量状态。一旦电流超过 +/- 3 A 时， N6782A 会启用电流限制功能，输出端上的电压升高，是其中一个背靠背连接的钳位二极管打开，超过 3A 的电流通过这个二极管流过。 通过图 2 中的 14585A 软件可以观察到上述情景。蓝色轨迹是 N752A 的输出电流。中间的黄色轨迹是 N6782A 的电流，顶部的黄色轨迹是 N6782A 的电压。此时的峰值电流，由N6752A模块直接测量，最高可达10A。   图 2 ： 14585A 软件捕获了图 1 设置中的电流和电压信号 图 2 中 ，我们把 测量标尺放置了睡眠电流上 ， 根据 N6782A 的测量回读可知 ， 电流平均值仅为 1.458 微安。这都要归功于零压降的工作特性。由于 N6782A 的输出电压此时保持为零，二极管内不会有电流经过。如果使用传统的电流表或分流器，电压将会升高，电流将会流经二极管，从而干扰测量。 现在 ， 用户能够通过 N6782A 测量 睡眠时微安级的电流， 而出现工作状态的高峰值电流时，转为利用 N6752A 测量。 类似的，另一个用户希望能够执行电池耗尽过程的测试。 N6781A 采取零压降电流测量模式，记录电池电流，于此同时， N6781A 上还有一个单独的数字电压表，可同电压下降过程，如果电流在 3A 一下，这种测试方法就非常理想。但用户有更高功率的器件，这个器件在启用时会消耗 3 A 以上的电流，超出了 N6781A 的电流限制。电流限制可能导致 N6781A 退出零压降的电流测量模式，器件也可能受到过低电压的影响自动关闭。对这个测量，我们可以采用类似的 解决方案：将背靠背连接的二极管添加到 N6781A ，如图 3 所示。 任何超过 3 A 的电流都会流经二极管。使用肖特基二极管时，短时峰值电流一旦超过 3A ，电池电压会暂时下降十分之几。用户能够使用 N6781A 进行电池耗尽过程的测试，并通过 14585A 软件记录全部结果！   图 3 ： Agilent N6781A 电池耗尽测试设置 ， 使用钳位二极管 ， 峰值功率超过 3A 了解 N6705 和 N6780 系列电流无缝量程技术更多信息和应用，可观看优酷上的视频： http://www.youku.com/playlist_show/id_17066502.html

精确测量诸如智能手机、无线传感器、胎压监测、无线抄表、无线穿戴设备等无线移动设备在省电工作模式下的电流消耗，是优化电池运行时间的一项基础任务。 智能手机和移动设备，会具有高功率发射模式， 但其大部分时间还是处于待机模式，或其它类似的省电模式上。其他的一些器件，例如无线传感器，可能只有省电工作模式。尽管此功耗可能看起来微不足道，但由于它们的绝大多数时间处在省电模式上，因此会消耗电池的大部分甚至全部的容量。   在省电工作模式下 ，手机和无线 移动设备大多数时间都处于低功率休眠状态 ， 定期唤醒并短暂地进入高功率活动状态 ， 以接收信号，或发射信号到基站。这时的消耗电流波形是典型的脉冲波形，具有以下特性： •        几秒至数十秒的周期 •        百分之几到十的极低占空比 •        接近一百或更高的超高波峰因数   基本待机电流和发射过程中的脉冲电流，通常都是总平均值的重要部分 ， 因此需要对极端值及中间值都进行精确的测量   经验证明 ， 精确测量省电工作模式下的电流消耗对于传统测试设备来说是一项巨大的挑战。这要求测试仪器，包括数采和数字化仪，能够在足够长的时间内进行快速采样和高分辨率精确地测量，这不仅需要大量的数据记录， 其固定测量量程也无法提供足够的动态范围，来精确测量脉冲峰值和休眠底电流。因此，它们是很难为预测和优化电池运行时间提供正确的依据。   由于很高的峰值， 而平均值很低，测量仪器在所需测量量程上的偏置误差通常与被测信号平均值相当 ，从而 导致不可接受的高测量误差。有时可采取一些变通方法来改进某些测量，但这常常会有极大的负面影响。   省电模式下电流消耗测量实例 ： 让我们看一个省电工作模式实例。无线温度传感器的发射机具有脉冲电流消耗和以下特性 ： •        周期： 4 秒 •        占空比： 0.17% •        波峰因数： 400              Agilent N6781A SUM 电源模块 用于为温度传感器的发射机供电 ， 并对其电流消耗波形进行测量。 N6781A 结合 了高速数字化仪，可测量无线移动设备和器件的动态电流消耗。如图 1 所示，首先将 N6781A 设置 在 100 mA 固定量程上测量电流消耗。这与使用传统测试仪器相当。然而， N6781A 结合了一个创新测量技术，能够无缝自动量程调节，以超过 195 KSa/s 的速率对从毫微安到安培的移动设备电流消耗波形连续进行数字化，并在极高动态范围内提供精确的电流测量结果。图 2 显示的是利用 N6781A 无缝量程调节功能改进测量结果。 通过 功能提升，得到更为详细的信息：   •        休眠底电流测量精度提高了 97 倍 ，误差 从 115% 降到 1.15% •        总体平均电流测量精度提高了 77 倍 ，误差 18.9% 降低 到 0.245% •        本底噪声降低了 5 倍 ， 从 47 μ A 到 10 μ App ， 而且高速数字化仪能够更深入地分析休眠电流活动   高速数字化仪可以更深入地分析信号发射过程中的耗电特性。 在高动态测量范围内进行高速数字化 ， 可获得详细且有用的信息 ，精确测量 省电工作模式下电流的工作特性，以便优化移动无线设备和器件的电池运行时间 ，   观看本应用提示的视频，请访问： http://v.youku.com/v_show/id_XMzU4OTAwNzky.html?f=17996506    

从手机、蓝牙耳机、平板电脑，到现在时兴的电子穿戴设备，都需要解决一个共性的问题：耗电！从根本上讲，这些设备及其子电路的活动都随时间而随机变化 ，而且 取决于用户使用行为、工作的网络环境和设备的复杂性。因此，与其活动相关的耗电相应地随时间而随机变化。如果在完成一项设计的改进后，希望验证它对优化电池运行时间的效果，往往需要在足够长的时间段内记录电流消耗，通过取平均值的方法，来对比设计改进前后平均电流的差异，以此判断此项变化的净影响。然而，优化电池运行时间时，您需要更详细的了解设计的改进带来的实质影响。您是否得到了期望的效果？您如何判断设备中的哪一个电路和活动受到了影响？您可以使用一种手动滚动数据记录的方法，来测评涉及各种电路和相关活动的脉冲电流强度和持续时间。但 这种方法虽然有用，但有一些弊端： •        非常耗时。 •        由于长期处于随机状态 ， 许多值是在最佳状况下估算出来的。 •        由于很难在长达几小时记录的数据中，检测和量化无数持续时间为几毫秒的活动。因此可以轻松得出不正确的结论。   虽然长期记录移动设备的电流消耗是必要的 ， 但很难靠直接目视检所记录数据的详情。您需要对各种方法进行分类，以便在优化电池运行时间时，快速、高效地分析长期耗电记录。   分析概率分布函数图 ， 能够快速、简明地查看和量化设计改进导致的长期耗电的细节差异。 您可以使用一种更有效的方法快速、简明地查看和量化设计改进对移动设备的影响 ， 该方法是分析长期电流消耗的概率分布函数 （ PDF ）的 轮廓图。 PDF 是随时间变化的电流消耗样本图，根据给定电流强度的相关频率而绘制，总添加高达 100% 。直方图是得到最广泛认可的 PDF 形式。但是，特定的互补累积分布函数（ CCDF ）适用于快速查看和分析长期电流消耗并量化设计改进的影响。 什么是 CCDF ？ •        累积分布函数 （ CDF ） = ∫PDF （ 曲线下方的区域 = 1 或 100% ） 。 •        互补累积分布函数（ CCDF ） = 1-CDF 。 CDF 轮廓为 0% 至 100% 的概率 ， 而 CCDF 轮廓是 100% 至 0% 的概率。注：图 1 中的 CCDF 轮廓图， 简要扼要地显示通过 Agilent N6781A SUM 模块以及配套的 14585A 控制和分析软件测量和显示智能手机电话在待机期间的长期电流消耗。 X 轴是电流消耗的幅度 ， Y 轴是其相对频率。轮廓图的水平偏移是幅度相关变化，而垂直偏移是时间相关变化。您可以使用这些偏移快速分析和量化设计变化导致的长期电流消耗的细节差异，以优化电池运行时间。 图 1 ：手机 待机电流消耗的 CCDF 轮廓图   测量 CCDF 轮廓图，对待机模式下智能手机的节电情况进行分析的实例。 为了延长电池在待机状态下的运行时间 ，智能手机 通常采用不连续接收 （ DRX ） 模式。与使用连续接收相比，排除其它影响，节约的电量取决于在非活动期内，休眠电流可以达到的等级、最多可以减少的接收活动时间、以及智能手机的设计。   为了测量节能效果 ， 我们使用 N6781A SMU 电源模块 和 14585A 软件，记录连续和不连续 RX 待机状态下，智能手机的长期电流消耗。如图 2 所示，我们使用 14585A 软件显示和比较两个电流消耗的 CCDF 轮廓图，以快速、轻松地判断和分析详细的节电信息。   通过量化两个轮廓图之间的垂直和水平偏移 ， 我们发现 ： •        128 mA 时 ， RX 活动 2.8% 的 （ 垂直 ） 变化 ， 可节省 18% 的电量 •        11.9 mA 的待机电流 （ 水平 ） 变化 ， 可节省 55% 的电量 •        其它 节省的 27% 电量来自减少的基带活动 •        总节电量是 85.5%   如图所示 ，要 优化电池运行时间时 ，有效而快捷的方法是 通过使用分布轮廓图 ， 您可以快速查看、判断和量化设计改变对电路和相关活动的详细影响 ， 而使用传统方法完成此任务是既耗时又费力。 图 2 ： 使用 CCDF 轮廓图分析手机待机省电详情 观看本应用提示的视频，请访问： http://v.youku.com/v_show/id_XMzU4ODk3MTQw.html?f=17996506

越来越多的电子产品在使用电池供电。这不仅包括我们每天都在使用的手机、便携式电脑、蓝牙等产品，还有心脏起搏器、便携式监护仪、无线传感器、胎压监测等待。对于所以这些设备，延迟电池使用寿命是对设计人员永远的挑战。因此，利用精确的测量手段，准备评估产品硬件和软件的设计，至关重要的。   在对这类产品的运行时间进行评估有一种方法 ： 使用程控电源对设备供电 ， 使设备处于各种工作模式 ，再测量 在不同工作模式下的电流消耗。评估过程需要根据不同的用户类型、每种工作模式所花费的时间、以及电池容量来计算出电池运行时间。直流电源必须在被测器件上维持稳定、无瞬态变化的电压。但是，很多产品的工作电流是动态的，例如手机、无线传感器等， 其电流可能会瞬间从休眠状态的微安级，瞬间上升到数百毫安，甚至安培级。因而许多通用电源产品无法适用。在这种高要求的测试中，不仅需要直流电源能够提供稳定的电压，还具备其它几个优势： 非常快速的瞬态响应能力，在电流出现高动态范围变化时，输出仍然能稳定。 无线移动设备需要高峰值、低平均值的电流。为了准确表征电流，需要电源内置动态电流回读特性，能够直接读取被测件的电流特性。这样，就无需在测试电路中加入电流测量的分流器，从而产生压降问题。   一个有效的方法，就是 使用实际的电池来替代程控电压源对设备供电。这样可以在更短的周期内针对不同的工作模式执行典型的电流消耗测量，并对电池运行时间进行预测。除了典型的电流消耗测量之外，您还可以连续监测电池的耗尽过程，从而得到更深入的分析结果： 电池低电压放电截止情况。 电池实际提供的电池容量和能量。 实际运行时间。 电池和器件配和使用的情况。   电池耗尽测试是电池性能验证不可或缺的一部分。   正如同评估电池耗尽过程一样 ， 这种方法 还能够评估电池充电和管理性能。通过对电池直接对设备供电，来验证充电管理性能，可以得到很多参考价值。   利用电池直接验证设备的充、放电性能时 ， 必须面对的首要挑战， 就是要精确地测量、记录电池电流消耗随时间的变化 ， 并且观测电池电压 ， 准确测量电池容量和能量。第二个测试挑战是：在测量电流时，被测件和电池之间的连接回路不能产生任何明显的压降，否则将会改变被测件的充放电性能。因此，如果在回路中加入分流器来测量电流，显然有很大的问题。   为了解决这个问题，一种方法是使用零压降的电流测量。 实际上，绝大多数的电流测量方法，是利用电流通过一个指定电阻时产生的压降，通过欧姆定律来算出电流值。但在安捷伦 N6781A 和 N6782A 的 2 象限 SMU 电源模块上， 就有这项特殊的功能，它既可以最为电源输出，又可串入电流测量回路，零压降地测量电流。这样， N6781A 可用于评估电池供电设备的电池耗尽过程和电池充电性能，如图 1 所示。   图 1 ： N6781A 零压降电流和功耗测量         N6781A 在零压降测量电流时，可以把输出电压调节为零 ， 与流经的电流没有关联。 N6781A 串联在被测件 和电池之间，由于其输出电压为 0 V ，因而不会产生压降。 N6781A 的测量动态电流时，采用内部的 28bit, 200KSa/s 采样率的无缝量程技术，精确测量动态电流。 此外，精密的电流测量系统现在能够测量放电或充电电流。 同时，该模块另外还有一个的电压测量端口，可用于电池电压的连续测量，使您能够捕获电池的放电或充电电压曲线，确定安培时和瓦时，如图 2 所示。     图 2 ： 使用 14585A 软件捕获、显示和评估电池的下降测试结果   有关更多 N6781A SMU 模块精密分析无线通信设备的视频，请访问： http://www.youku.com/playlist_show/id_17066502.html        

每天，在您用手机或 Pad 上网的时候，您会关注网络质量吗？还会关心电池剩余电量吗？如果你不关心这个，那想必是生活在杨过和小龙女的时代了。   Palm 公司 CEO Jon Rubinstein 曾经断言无线通信行业的发展将受限于两个方面，带宽和电池容量。谁都无法忍受随时面临断电的手机。不仅是整机厂家对功耗严格要求，手机的零部件供应商、甚至想 MS 这样为手机做操作系统的厂家，也把功耗问题提示到了极高的优先级。有些情况下，似乎功耗远远比芯片或软件的其他性能更为重要。所有的这一切，都是为了我们手上的手机能工作更长的时间，避免您每天生活在寻找充电器的焦虑之中。   这不仅仅限于手机行业。在医疗电子、胎压监测、无线传感器、无线电表等等诸多的电池供电的设备，也同样对功耗有着苛刻的需要。            所有这些产品的精密功耗测试是极具挑战性的。它们的共同特点是：电流是动态变化的。为了省电，手机里的各个零部件都做了最大程度的优化，在不工作的情况下进入关闭或休眠状态，直到被唤醒才开始工作。这些频繁的模式切换带来了密集的脉冲电流变化。而变化速度往往高达 KHz 甚至 10KHz 以上。精确的电流测量需要兼顾采样率和测量精度，从微安到毫安，以及到安培级别的连续电流变化中，保持 50~100KHz 的采样率，才能捕捉到所需要的电流脉冲并进行测量。电流变化的动态范围会到达 50-100dB! 无论是 8bit 或 12bit 的示波器，还是传统的数字万元表，对如此高动态范围、高变化速度电流的精确测量，都是无能为力的。            这种及其具挑战的测试需求，促使了安捷伦的工程师开发出了 无缝量程切换技术 （ seamless ranging ），来帮助工程师应完成精确的表征和测试。传统的测量仪表内部只有一块 AD 芯片，它们需要你的帮助来选择合适的量程，因为它们永远无法预知下面的信号是否超出了自己的测试范围。如果超过了，它们只能发出报错，并告诉你它们已经尽力而为了。无缝量程切换使用了多块并行处理的 AD 芯片，各自工作在自己的量程下，同时并行的在各自的量程内采集数据。仪表所做的是在不同的时刻，选择不同的数据源，并把这些数据按时间先后顺序连接在一起。这个过程里不会丢失任何数据，所有的测量值被连续记录，并在量程切换处顺滑的连接测量结果。通过这样的方式，我们可以等效得到 28bit 的量化分辨率，同时保持较高的采样率。 从纳安级电流到安培级电流，第一次实现了连续不间断的测量。而每一个数据点，都达到了最高的精度指标。你所需要的只是把量程设为 Auto ( 这次是真的自动 ) ，然后等待你所需要的数据结果，在这个过工程里，不论你的手机工作在什么模式下，它可以打电话，可以播放 mp3 音乐，可以上网发几条微博，所有这些操作所对应的电流变化都会被完整记录，而且非常精确。   安捷伦在 N6781A SMU 电源模块上提供了三个可以无缝切换的量程， 3A ， 100mA 和 1mA ，在这三个量程下，最高的测量精度可以达到 0.025% + 100nA ，而采样率可以达到最高 200K 次每秒。 N6781A SMU 模块工作在 N6705B 直流电源分析仪中。在供电的同时，精密测量被测件的静态和动态工作电流     图 3 对比显示在无缝量程切换功能开启或关闭情况下，对同一脉冲电流测量的寄过，可以看到左下小图中可以精确测量出底电流部分的电流值，而在固定量程下，右下小图底电流完全被量化噪声淹没。 无缝量程技术是安捷伦的专利技术。专利的拥有者是我以前文章中介绍过的那位英语不及格的大牛 Russ 先生。 http://forum.eet-cn.com/BLOG_ARTICLE_16456.HTM 关于无缝量程技术的视频，可以访问优酷： http://v.youku.com/v_show/id_XMzU0NTkyMDYw.html?f=17066502