如何實現低功耗精確驗證
2022-05-05
作者
David Hall、Macarena Calderon、Mike Denton、Paul Ulezko，NI
欲延長電池供電時間和壽命，首先需要降低裝置功耗，那就必須在設計時能夠精確測量設備的總功耗。
在一個日益互連的世界中，電子裝置正變得越來越智慧，電池性能和壽命之間的平衡從未像現在這樣重要。無論應用程式多好，「電量不足」都會為使用者帶來很大的不便。從健身房的無線耳機到智慧型手機上的數位購物清單，消費者每天都離不開電池供電設備。更重要的是，他們希望這些裝置一次充電就能保持更長的供電時間，這意味著工程師一直面臨著如何最大限度地延長電子裝置電池壽命的挑戰。
欲延長電池供電時間和壽命，首先需要降低裝置功耗，那就必須在設計時能夠精確測量設備的總功耗。所面臨的主要挑戰在於：總負載功率的測量不僅限於上電和穩態運作狀態，還需要在多工運作狀態下進行測量。由於需要測量的是低電壓(通常在nV範圍內)，睡眠和瞬態等低功耗條件可能會導致錯誤的結果。此外，一些功耗的發生可能只持續很短的時間，這就意味著，除了需要高精準度的測量儀器外，快速取樣速率也是一個關鍵考慮因素。
多種功耗狀態的裝置功耗計算
精確測量電子裝置的功耗需要瞭解儀器選項和適當的測量設置。為了說明這一點，請考慮圖1中所示的被測裝置的類比測量電路。該圖說明一個具有兩種狀態的簡單電路：高功耗模式和低功耗模式。V1是測得的源電壓，這種測量對於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電力。測量功耗需要在電流檢測電阻上進行第二次電壓測量，該電阻在圖中標記為R1。R2和R3代表被測裝置負載，其中R3代表高功耗(滿負荷/工作)模式，R2代表低功耗(待機/睡眠)模式。
圖1：高功耗(工作)和低功耗(睡眠)模式下電壓測量電路。
圖1中：V1=1VDC電壓源，R1=用於測量電壓的100mΩ電流檢測電阻，R2=10kΩ，低功耗模式負載電阻，R3=1Ω，高功耗模式負載電阻，S1&S2=應用/類比負載開關。
旁路電阻的重要性
外部旁路或電流檢測電阻是影響功耗測量的一個重要因素，使用數位萬用表(DMM)、資料擷取(DAQ)設備或示波器等電壓測量儀器來測量待測物的電流消耗時，需要仔細注意旁路電阻的大小和容差。在這種情況下，旁路電阻也參與測量電壓降並將其轉換為電流，適當調整此電阻的大小可確保測量精確性。在圖1中，R1 (100mΩ，0.1%容差)電阻代表儀器測量的被測電壓降，在這裡，可以使用歐姆定律來計算檢測電阻上的電壓。請注意，為減少誤差，電阻應夠低，但又應夠大以滿足精確的電壓降測量。在該例中，選擇100mΩ，以實現精確的電流測量，同時又使得檢測電阻消耗的功率最小。
根據的高功耗和低功耗模式模型，可以使用下面的公式，估算旁路電阻上的電壓降。這些估算是電壓測量的前提，也是考慮選用不同測量儀器精準度時的基礎：
- R2：低功耗模式
電流= (1VDC)/(10kΩ) = 100μA
旁路電阻上的電壓降= 100μA × 100mΩ = 10μV
預期功耗= 10μV × 100μA = 1nW
- R3：高功耗模式
電流= (1VDC)/(1Ω) = 1A
旁路電阻上的電壓降= 1A × 100mΩ = 100mV
預期功耗= 100mV × 1A = 100mW
如上所見，低功耗模式下旁路電阻上的壓降很小。在這種情況下功耗測量更具挑戰性，因此將重點關注低功耗條件下的精準度計算。請注意，當使用旁路電阻測量功耗時，測量的總誤差將包括元件誤差和配置誤差。出於說明目的，假設連接到旁路電阻R1和電壓源V1的導線和固定裝置上的任何電壓降都可以忽略不計。但可以使用以下公式，計算由電阻容差引起的測量誤差。回想一下，在本例中，高功率模式測量值為100mV，低功耗模式測量值為10μV。低功耗模式下：
R1檢測電阻值= 100mΩ、容差0.1%，則：
檢測電阻R1誤差(V) = 10μV ÷ 0.1% = 10nV
檢測電阻電流誤差(A) = 10nV ÷ 100mΩ = 100nA
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，瞭解電壓、電流和電阻之間的關係至關重要。由於儀器通常測量電壓或電流，因此將使用歐姆定律來確定IC、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取捨。用於測量電壓的最常見設備是DMM、示波器和DAQ。
使用DMM進行低功耗測量
DMM是用於低電平電壓測量的最常用儀器之一，通常採用一系列功能來校正電壓不確定性。為了確定該儀器的精準度，考慮一台精準度為7位半的DMM、其最大輸入範圍為±1,000V，內建1.8MS/s的隔離數位轉換器，圖2內容摘自該設備的資料表。在這種情況下，像自動歸零、ADC校準和偏移歸零這類的高階DMM精準度增強功能都被禁用。重要的是要理解，如果啟用DC偏移歸零，則DMM的整體精準度可以提高2μV。請注意，DC偏移歸零是一個高階選項，有很多使用注意事項和權衡取捨。出於討論的目的，檢測電阻兩端的測量電壓在最壞情況下為10μV，所以可以暫時忽略直流偏移調零。
圖2：指數脈衝上升邊緣的時間常數測量。
儘管DMM既可以測量電壓也可以測量電流，但這裡考慮的是在使用外部旁路電阻條件下，用DMM進行電壓測量。這種電壓測量模式通常是功耗測量的首選，因為它允許自訂旁路電阻的阻值。
以下公式有助於計算DMM在最壞情況下的精確度：
公式中，a =讀數(reading)的ppm，b =量程(range)的ppm。請注意：不使用歸零條件下，增加2μV。
根據測量的電壓降(10μV)，選用100mV量程。使用上面的公式，可以估計DMM的電壓測量精準度。假設DMM在測量後的90天內進行了自校準，可以使用以下數字：
讀數的ppm = 27
量程的ppm = 7
量程= 100mV
預期訊號電壓= 10μV
精準度= 700nV + 2μV = 2.7μV
已知儀器精準度為±2.7μV，可以使用歐姆定律、儀器的精準度和檢測電阻誤差來計算電流讀數的精準度：
- 歐姆定律：I = V/R
- 測量電流誤差= ±(2.7uV)/(100mΩ) = ±27μA
- 總電流誤差=測量誤差+檢測電阻誤差= ±27μA+100nA= ±27.1μA
- 功耗誤差= 2.7μV × 27.1μA = 73.17pW
正如從上述公式中觀察到的，使用容差為1%的電阻時，檢測電阻誤差可以忽略不計。因此，系統設置可以在位於27μA的精準度內測量低功耗狀態下的100μA電流消耗，甚至無需使用DC歸零，只需應用此技術即可提高精確性。
使用示波器進行低功耗測量
示波器是第二種經常用於功率測量的儀器。鑒於其寬頻寬和高取樣速率，示波器通常是檢測設備功耗動態變化的首選儀器。出於說明目的，使用具有1GS/s取樣速率、200MHz和14位元解析度的NI PXI-5163示波器。
示波器最壞情況下的精準度計算結果是輸入範圍和垂直偏移的函數。對於此計算，將使用1MΩ內阻，因為它更適合測量低電壓。在本例中，將在電壓僅有10μV的低功耗模式下評估檢測電阻上的電壓降。在此測量中，將使用0垂直偏移和0.25V的滿量程輸入範圍。計算精準度的公式直接取自示波器的規格書(圖3)。
圖3：PXIe-5163示波器主要規格。
請注意，如規格書中所述，當儀器的電路板溫度自上次校準後超過±3℃時，還需要考慮DC/DC漂移。由於溫度變化因儀器而異，故對此不予考慮，並假設溫度變化位於±3℃以內。
已知儀器精準度為±650μV，可以使用歐姆定律、儀器的精準度和檢測電阻誤差來計算電流讀數的精準度：
- 歐姆定律：I = V/R
- 電流測量誤差= ±(650.01μV)/(100mΩ) = ±6.5mA
- 總誤差=測量誤差+檢測電阻誤差= ±6.5mA + 100nA= ±6.5mA
- 功耗誤差= 650μV × 6.5mA = 4.23μW
從上面的公式中，可以發現使用示波器測量系統電流時，測量誤差高達6.5mA，這不足以精確測量100μA的低功耗模式的電流消耗。然而，示波器可以在合理的精準度範圍內，精確地測量工作模式下的設備功耗，並且通常用來測量工作模式下的瞬態功耗。
用於低功耗測量的DAQ儀器
DAQ通常用於採集多通道電壓和/或資料。儘管有些人可能認為DAQ設備是一種低成本的測量工具，但一些高階型號也能提供出色的直流測量精準度。出於說明目的，將考慮兩個DAQ設備。第一個是PXIe-6289，是一個32AI (18位元，625kS/s)、具有4個AO和48個DIO。與上例一樣，以下的精準度計算用於最壞情況下，即低功耗模式下的功耗測量。利用圖4，可以使用下面規格書中的公式計算DC精準度。
- 絕對精準度=(讀數×增益誤差)+(量程×偏移誤差)+雜訊不確定度
圖4：規格書中的PXI-6289精準度表。
採用絕對精準度，「讀數」將是檢測電阻上的電壓降(10μV)。此外，將使用盡可能小的輸入範圍(0.1V)。請注意，增益誤差和失調誤差利用附加計算得出。在計算增益和失調誤差時，將假設最後一次校準與當前測量的溫度差為5℃，而增益溫度係數(增益溫度係數)為17ppm/℃，參考溫度係數為1ppm/℃，INL誤差範圍為10ppm。
- 增益誤差=殘餘AI增益誤差+增益溫度係數×上次內校準後的溫度變化量+參考溫度係數×上次內校準後的溫度變化量
- 偏移誤差=殘餘偏移誤差+偏移溫度係數×上次自校準後的溫度變化量+INL誤差雜訊不確定度
- 雜訊不確定性=(隨機雜訊× 3)/√100
- 增益誤差=120ppm + (17ppm × 5ppm) + (1ppm×5) = 210ppm
- 偏移誤差=(62ppm + (60ppm ×5)) + 10ppm =3 72ppm
- 雜訊不確定性= (9μV×3)/√100 = 2.7μV
- 絕對精準度=0.1V × (210ppm) + 0.1V × (372ppm) + 2.7μV = 58.2μV
將所有可能的誤差相加後，該儀器的直流精準度為58.2μV。現在，可以使用歐姆定律、儀器的精準度和檢測電阻誤差來計算電流讀數的精準度：
- 歐姆定律：I = V/R
- 測量誤差= ±(60.9μV)/(100mΩ) = ±609μA
- 總誤差=測量誤差+感測器誤差= ±609μA + 100nA= ±609.1μA
- 功耗誤差= 58.2μV × 609.1μA = 35.45nW
將此計算應用於圖1中的電路，可以看到該DAQ儀器可以實現實際電流消耗精準度位於±1mA範圍內的測量。因此，儘管該儀器用於工作模式(1A)下的功耗測量時精準度足夠，但它進行低功耗模式(100μA)下電流消耗測量時精準度太低。
更高性能的資料擷取儀器
相比之下，可以利用更高性能的終端模型來檢驗上述多功能DAQ設備的性能。在第二台DAQ儀器中，將評估NI PXIe-4309的性能，該儀器具有高達2MS/s的取樣速率、28位可變解析度、32個通道，輸入範圍和為±15V。
與DMM類似，NI PXIe-4309利用額外的精準度改善技術來提高直流測量精準度，包括自動歸零、斬波和偏移補償等。為了更好地說明PXIe-4309附加功能帶來的好處，先評估一個啟用自動歸零的示例，但在採集一開始並不認為偏移為零。在這種情況下，自動調零採樣在讀取低電壓時改進最顯著，而偏移歸零消除了最大的誤差源，即在讀取低電壓時補償了4.5μV的偏移誤差。因為的讀數是10μV，所以不需要偏移歸零功能。現在，將繼續使用圖5中的最小範圍(0.1V)。
如前所述，來自DAQ設備的最大誤差源之一是偏移誤差。本例中，將選用的儀器電壓量程為0.1V，校準週期為兩年。在此示例中，可以透過查看圖5中的規格書來確定快速精準度估算。兩年校準週期內總誤差的偏移誤差為4.7μV。可以利用偏移誤差計算公式來計算偏移誤差，計算中需要用到線性度、雜訊和殘餘偏移，而這些在參數規格書中均可找到。以下公式有助於計算設備的總精準度：
- 偏移誤差=讀數漂移+線性度
-線性度誤差= 5ppm (100mV量程內) = 0.0000005
-殘餘偏移=4μV
- 雜訊=雜訊(RMS) × √2 = 0.00000054
- 增益誤差= 60ppm = 0.00006
- 精準度=偏移誤差+雜訊+增益誤差
圖5：PXIe-4309規格書中的精準度表。
根據測量的電壓降(10μV)，將考慮與之前100mV量程所用相同的參數規格。假設PXIe-4309在測量的兩年內進行了校準，可以使用以下資料：
- 偏移誤差= 4.5μV (計算時，低於5℃時採用調零)
- 線性度= 0.1V × 5ppm = 500nV
- 殘餘偏移= 4μV
- 雜訊=2 0nVrms × 1.414213562 = 28nV峰峰值
- 增益誤差= 10μV × 60ppm = 6pV
- 精準度= 4.7μV + 28nV + 6pV = 4.73μV
加上所有可能的誤差後，PXIe-4309在以每秒10次採樣時，無歸零的DC精準度為4.73μV。與前面的示例一樣，利用歐姆定律、儀器的精準度和檢測電阻誤差來計算電流讀數的精準度：
- 歐姆定律：I = V/R
- 測量誤差= ±(4.73μV)/(100mΩ) = ±47.3μA
- 總誤差=測量誤差+檢測電阻誤差= ±47.3μA + 100nA = ±47.4μA
- 功耗誤差= 4.7μV × 47.4μA = 222.78pW
根據上述計算，可以確定，利用PXIe-4309 DAQ儀器，在無需校正零偏移的情況下，可以在±47.5μA的精準度範圍內測量電流消耗。請注意，直流偏移是整體測量誤差的重要部分。因此，使用上述測量配置，即使是採用最基本的歸零技術，也可以顯著提高該測量的精準度，甚至精準度性能能夠優於±1μA。
表1：基於低功耗測量要求的各類儀器性能比較。
透過評估找到適合低功耗驗證的儀器
如前所述，精準度是評估低壓測量儀器時最重要的考慮因素之一。另外，快速取樣速率等功能可擷取動態訊號的資料。除此之外，多通道適用於測量多個電源軌。總體結果表示，儘管大多數儀器都配備了電壓測量功能，但精準度存在顯著差異。首先，DMM將能用於高功耗和低功耗模式精確測量；其次，示波器因其高取樣速率而最適合捕捉動態訊號；第三，DAQ PXIe-6289足以滿足高功率模式功耗測量，但不足以進行低功耗模式功耗測量；最後，PXIe-4309將能同時滿足圖1中所需的高功耗和低功耗模式下的精確測量。
選擇合適的儀器來測量低功耗，能夠實現更精確的功耗驗證，進而提高產品性能。消費者希望他們的電子裝置一次充電就能保持更長時間供電，選擇PXIe-4309這樣的高性能儀器可能以協助設計師快速有效地驗證所開發設備的功耗。在測量這些低阻值旁路電阻上的電流時，它甚至可以與7位半DMM的性能媲美。由於通道數更多，PXIe-4309可提供足夠的測量密度，以滿足現代複雜電子設計中的功耗驗證需求。
(參考原文：Achieving accurate low-power validation，by David Hall、Macarena Calderon、Mike Denton、Paul Ulezko)
本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年4月號
