低功率测量技术——三大实用小贴士

当今智能手机最重要的特色并不是那些华而不实的功能，而是基础得多的特性：电池能用多长时间？遗憾的是，电池技术跟不上工程师们的步伐，他们创造出拥有多块大功率多核处理器和多个无线电的掌上电脑。在服务器一侧，即使能耗的一点点下降，也会给为云提供动力的海量运行中心带来诸多好处(而云已经成为当今互联网的代名词)。

环顾四周，降低能耗几乎一直是重要的设计目标。这意味着工程师和技术人员需要精通低功率测量。虽然这些测量不太难，但获得一致的结果却要求很好地了解测量工具，在本例中，测量工具包括示波器及电压探头和电流探头。

下面几个截图显示了使用示波器评估能耗。上图是LCD监视器在待机模式下的能耗；下图是手机充电时充电器的能耗。通过使用良好的测量技术及基于示波器的电源分析应用，可以简便地完成此类测量。在本文中，我将介绍部分最重要的技术。

LCD监视器在待机模式下的电源质量

手机充电时充电器的电源质量

电压探测小提示

好的测量都有好的根源–探头。由于电压测量是差分测量，因此首选的微伏级测量探头是有源差分探头。这将提供最好的测量质量和易用性。对微伏级差分电压测量，差分前置放大器可能也必不可少。尽管可以使用一对无源探头，如下图中上面小图所示，但只有在探头和示波器通道匹配得非常好(增益、偏置、延迟和频响)时，这种方法才能提供良好的测量结果。对大多数低功率测量来说，有源差分探头才是可行的方案。

可以使用两只无源探头(上图)及示波器数学运算(下图)

测量差分信号，最好使用一只差分探头。

在探头选型上，应考虑探头阻抗或负载对被测电路的影响。为得到良好的测量精度，探头的输入阻抗应远远高于电路在关心的最高频率上的阻抗。

对小信号来说，另一个重要考虑因素是探头衰减。您的目标应该是使用的探头衰减不超过把信号幅度与示波器输入动态范围精确匹配所需的水平。典型的“10X”无源探头的衰减系数是10，也就是说，只有1/10的输入信号幅度被应用到示波器中。尽管探头衰减扩大了测量系统的最大电压范围，但它有一个负面影响，会降低信噪比。

电流探测小贴士

使用AC/DC电流探头可以最准确、最简便地完成电流测量，这些探头推荐用于低功率应用。AC/DC电流探头使用变压器测量AC电流，使用霍尔效应器件测量DC电流。

使用电流探头的第一步是把头部连接在传送电流的导体周围，这既可以通过增加线环实现，也可以根据产品测试设计要求增加电流探头接入实现。

最可能的情况是，您将在导体和电流探头机身之间及在电流探头机身和接地之间，遇到寄生电容。快速转换速率的电压信号会以电容方式耦合到探头机身中。这意味着您应该探测最低阻抗节点，使到接地的电容耦合的负载效应达到最小。此外，探测电路的接地一侧将使信号的转换速率(dV/dt)达到最小，推动寄生电容。

与电压探头一样，电流探头中的衰减不要超过把信号幅度与示波器输入动态范围匹配所需的水平。

通过在电流探头上缠几圈导体，如下图所示，可以改善测量灵敏度。这是因为电流探头对流经探头的总电流作出响应，但这有局限性。在探头上多缠几圈导体会提高插入阻抗，降低带宽上限。

在电流探头上缠N圈导体，可以提高电流灵敏度。

最后，为了降低探头对放射噪声的灵敏度，试着从电流探头的接地连线到电路接地，接上一条探头地线。这可以提高从探头头部到接地的寄生电容，但应该使探头的内部屏蔽更加有效。

示波器设置小贴士

准确的测量总是离不开经过校准的示波器。示波器至少要预热20分钟，达到稳定的内部温度。绝大部分短期误差是由放大器随时间和温度漂移引起的。

与电压探测和电流探测一样，应优化所有信号的动态范围。调节垂直标度控件，以便信号在垂直方向填满大部分显示屏，但要确保峰值不要扩展到显示屏的顶部或底部以外的区域。这种调节采用最低的所需衰减设置，以优化SNR。

应校正探头相差。每只探头都有不同的传播延迟，差异可能会非常大，特别是在比较电压探头和电流探头时。由于瞬时功率是电压波形和电流波形逐个样点计算得出的，因此必须确保电压波形和电流实现精确的时间(相位)匹配。相差校正过程把示波器输入的信号时间对准，帮助保证计算得出的功率波形代表着电路真实的瞬时功率。

随着能耗成为许多设备和系统设计的核心因素，确保设计满足或超过目标的能力是一种关键功能。这里介绍的优秀测量技术将帮助您简便准确地进行低功率测量。