低功率測(cè)量技術(shù)——三大實(shí)用小貼士　

當(dāng)今智能手機(jī)最重要的特色并不是那些華而不實(shí)的功能，而是基礎(chǔ)得多的特性：電池能用多長(zhǎng)時(shí)間?遺憾的是，電池技術(shù)跟不上工程師們的步伐，他們創(chuàng)造出擁有多塊大功率多核處理器和多個(gè)無(wú)線(xiàn)電的掌上電腦。在服務(wù)器一側(cè)，即使能耗的一點(diǎn)點(diǎn)下降，也會(huì)給為云提供動(dòng)力的海量運(yùn)行中心帶來(lái)諸多好處(而云已經(jīng)成為當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)的代名詞)。

環(huán)顧四周，降低能耗幾乎一直是重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)。這意味著工程師和技術(shù)人員需要精通低功率測(cè)量。雖然這些測(cè)量不太難，但獲得一致的結(jié)果卻要求很好地了解測(cè)量工具，在本例中，測(cè)量工具包括示波器及電壓探頭和電流探頭。

下面幾個(gè)截圖顯示了使用示波器評(píng)估能耗。上圖是LCD監(jiān)視器在待機(jī)模式下的能耗;下圖是手機(jī)充電時(shí)充電器的能耗。通過(guò)使用良好的測(cè)量技術(shù)及基于示波器的電源分析應(yīng)用，可以簡(jiǎn)便地完成此類(lèi)測(cè)量。在本文中，我將介紹部分最重要的技術(shù)。

LCD監(jiān)視器在待機(jī)模式下的電源質(zhì)量

手機(jī)充電時(shí)充電器的電源質(zhì)量

電壓探測(cè)小提示

好的測(cè)量都有好的根源 – 探頭。由于電壓測(cè)量是差分測(cè)量，因此首選的微伏級(jí)測(cè)量探頭是有源差分探頭。這將提供最好的測(cè)量質(zhì)量和易用性。對(duì)微伏級(jí)差分電壓測(cè)量，差分前置放大器可能也必不可少。盡管可以使用一對(duì)無(wú)源探頭，如下圖中上面小圖所示，但只有在探頭和示波器通道匹配得非常好(增益、偏置、延遲和頻響)時(shí)，這種方法才能提供良好的測(cè)量結(jié)果。對(duì)大多數(shù)低功率測(cè)量來(lái)說(shuō)，有源差分探頭才是可行的方案。

可以使用兩只無(wú)源探頭(上圖)及示波器數(shù)學(xué)運(yùn)算(下圖)

測(cè)量差分信號(hào)，最好使用一只差分探頭。

在探頭選型上，應(yīng)考慮探頭阻抗或負(fù)載對(duì)被測(cè)電路的影響。為得到良好的測(cè)量精度，探頭的輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電路在關(guān)心的最高頻率上的阻抗。

對(duì)小信號(hào)來(lái)說(shuō)，另一個(gè)重要考慮因素是探頭衰減。您的目標(biāo)應(yīng)該是使用的探頭衰減不超過(guò)把信號(hào)幅度與示波器輸入動(dòng)態(tài)范圍精確匹配所需的水平。典型的“10X”無(wú)源探頭的衰減系數(shù)是10，也就是說(shuō)，只有1/10的輸入信號(hào)幅度被應(yīng)用到示波器中。盡管探頭衰減擴(kuò)大了測(cè)量系統(tǒng)的最大電壓范圍，但它有一個(gè)負(fù)面影響，會(huì)降低信噪比。

電流探測(cè)小貼士

使用AC/DC電流探頭可以最準(zhǔn)確、最簡(jiǎn)便地完成電流測(cè)量，這些探頭推薦用于低功率應(yīng)用。AC/DC電流探頭使用變壓器測(cè)量AC電流，使用霍爾效應(yīng)器件測(cè)量DC電流。

使用電流探頭的第一步是把頭部連接在傳送電流的導(dǎo)體周?chē)@既可以通過(guò)增加線(xiàn)環(huán)實(shí)現(xiàn)，也可以根據(jù)產(chǎn)品測(cè)試設(shè)計(jì)要求增加電流探頭接入實(shí)現(xiàn)。

最可能的情況是，您將在導(dǎo)體和電流探頭機(jī)身之間及在電流探頭機(jī)身和接地之間，遇到寄生電容。快速轉(zhuǎn)換速率的電壓信號(hào)會(huì)以電容方式耦合到探頭機(jī)身中。這意味著您應(yīng)該探測(cè)最低阻抗節(jié)點(diǎn)，使到接地的電容耦合的負(fù)載效應(yīng)達(dá)到最小。此外，探測(cè)電路的接地一側(cè)將使信號(hào)的轉(zhuǎn)換速率(dV/dt)達(dá)到最小，推動(dòng)寄生電容。

與電壓探頭一樣，電流探頭中的衰減不要超過(guò)把信號(hào)幅度與示波器輸入動(dòng)態(tài)范圍匹配所需的水平。

通過(guò)在電流探頭上纏幾圈導(dǎo)體，如下圖所示，可以改善測(cè)量靈敏度。這是因?yàn)殡娏魈筋^對(duì)流經(jīng)探頭的總電流作出響應(yīng)，但這有局限性。在探頭上多纏幾圈導(dǎo)體會(huì)提高插入阻抗，降低帶寬上限。

在電流探頭上纏N圈導(dǎo)體，可以提高電流靈敏度。

最后，為了降低探頭對(duì)放射噪聲的靈敏度，試著從電流探頭的接地連線(xiàn)到電路接地，接上一條探頭地線(xiàn)。這可以提高從探頭頭部到接地的寄生電容，但應(yīng)該使探頭的內(nèi)部屏蔽更加有效。

示波器設(shè)置小貼士

準(zhǔn)確的測(cè)量總是離不開(kāi)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的示波器。示波器至少要預(yù)熱20分鐘，達(dá)到穩(wěn)定的內(nèi)部溫度。絕大部分短期誤差是由放大器隨時(shí)間和溫度漂移引起的。

與電壓探測(cè)和電流探測(cè)一樣，應(yīng)優(yōu)化所有信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。調(diào)節(jié)垂直標(biāo)度控件，以便信號(hào)在垂直方向填滿(mǎn)大部分顯示屏，但要確保峰值不要擴(kuò)展到顯示屏的頂部或底部以外的區(qū)域。這種調(diào)節(jié)采用最低的所需衰減設(shè)置，以?xún)?yōu)化SNR。

應(yīng)校正探頭相差。每只探頭都有不同的傳播延遲，差異可能會(huì)非常大，特別是在比較電壓探頭和電流探頭時(shí)。由于瞬時(shí)功率是電壓波形和電流波形逐個(gè)樣點(diǎn)計(jì)算得出的，因此必須確保電壓波形和電流實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間(相位)匹配。相差校正過(guò)程把示波器輸入的信號(hào)時(shí)間對(duì)準(zhǔn)，幫助保證計(jì)算得出的功率波形代表著電路真實(shí)的瞬時(shí)功率。

隨著能耗成為許多設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心因素，確保設(shè)計(jì)滿(mǎn)足或超過(guò)目標(biāo)的能力是一種關(guān)鍵功能。這里介紹的優(yōu)秀測(cè)量技術(shù)將幫助您簡(jiǎn)便準(zhǔn)確地進(jìn)行低功率測(cè)量。低功率測(cè)量是否進(jìn)入了您的日程安排?