智能产品低功耗分析的关键技术——电流测量的无缝量程切换

在物联网、智能穿戴、便携式医疗设备等等电池供电的智能设备中，电池的续航至关重要。在产品研发中，需要在确保产品性能的同时，优化工作电流特性。而利用动态功耗模式，几乎是所有智能产品的必选：即在工作状态，电流迅速上升到足够支持各种工作模式；而一旦结束，迅速回到休眠状态，等候下一次被迅速唤醒。

这种工作电流变化速度快，动态范围大。例如以下这个NB-IoT的模块：                                             

工作电流特性：全部工作过程不到10ms，最大电流为206.75mA，PSM模式耗电仅仅2.868uA，相差将近8万倍！

对于这种电流信号的测量，是非常有挑战的，我们以此为例，看一下用传统的示波器和万用表测量，会有哪些问题。

01、示波器+电流探头的方法

其好处是工程师使用便捷，选择范围大，采样率、带宽都高，探头种类多。但最大的问题，一是AD转换器的位数，二是本底噪声。

即便高档的示波器，具有10bit 的AD位数，分辨率只有千分之一。而对于相差2万倍的动态信号，只能望洋兴叹。本底噪声也是难以逾越的障碍，微安级的信号，可能会被本底噪声淹没。

02、万用表的方法

这是测量电流常用的方法，从pA至安培级的电流，万用表基本上都能从容应对。但由于采样率的限制，它一般用来测量静态，或者变化缓慢的信号。

万用表测量电流还有一个不可忽略的问题，就是内部的取样电阻，会产生压降。量程不同，阻值也不同。这就会在测量电流的时候，产生明显的压降，造成被测件工作异常，甚至自动关机。

是德科技34465A万用表电流取样电阻的指标

03、高速、高动态电流的无缝量程切换技术

是德科技的技术， 同时解决了电流测量高采样率和超高的分辨率的要求。

以N6781A 源表SMU模块为例，它支持3A、100mA、1mA和10uA四个测试量程。10uA量程测量精度达8nA，用于产品关机漏电流的测量；而3A、100mA、1mA三个量程采用无缝量程技术，覆盖3A至100nA电流测量，从而实现产品从休眠模式到工作模式的动态电流高速、高分辨率的连续精确测量。其采样率为200kSa/s，分辨率可等效为惊人的28bit，比通用示波器高出 1百万倍！

无缝量程，或者可以认为有3个量程同时工作，构建出一个巨大电流的量程， 高速连续测量从100nA – 3A 的动态电流

同时，由于有很高的分辨率，底噪也被大幅度压低。

未启动无缝量程功能时测量的电流

启动无缝量程功能时测量的电流

04、自动量程切换（Auto-Range）vs. 无缝量程切换（Seamless Range）

切勿混淆这两个概念。自动量程切换是数字万用表的基本功能，它是根据输入信号的幅度，自动选择一个适合的量程。在量程切换过程中，存在量程切换时间问题（越小的量程切换、花费的时间越长），且其本质为切换不同的分流电阻（硬件）、容易导致电流测量时产品的工作状态不稳定、甚至异常。而无缝量程切换，则不存在这个问题。

以PZ2121A 源表模块为例，它有6个固定量程，可以自动切换，但每次切换都有时间延迟，出现测量中断，无法准确测试（橙黄色迹线）。而它的1A和10mA 两个量程，构成了一个无缝切换的量程，连续电流测量从nA到1A， 跨越了6个数量级，不会出现中断和延时（绿色迹线）。

05、装备了无缝量程切换技术的仪表

典型的有在N6705C直流电源分析仪中的N6781A，N6785A等源表模块；PZ2100模块化源表系列中的PZ2121A模块，以及N7900A APS *电源系统等。总体数量还是非常有限。

N6705C / N678x SMU

PZ2100 模块化SMUs

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