趙勝強(qiáng) 秦 浩

(中國地質(zhì)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引言

在各種微小型、便攜式的電子設(shè)備中，電池供電是一種普遍采用的方案，這使得整機(jī)功耗成為微型電子設(shè)備最突出的性能參數(shù)之一。在產(chǎn)品設(shè)計之初，微電子設(shè)備的整機(jī)電路都會針對功耗進(jìn)行特別的優(yōu)化處理，以滿足成品的待機(jī)時間和低功耗的要求;而在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，廠商會針對產(chǎn)品的功耗性能進(jìn)行各種嚴(yán)格的測試，以保證成品的質(zhì)量。工業(yè)過程中一般用整機(jī)電流來衡量產(chǎn)品的整機(jī)能耗。本文介紹了一種在產(chǎn)品批量生產(chǎn)環(huán)節(jié)中對生產(chǎn)線上微電子產(chǎn)品整機(jī)消費(fèi)微電流進(jìn)行快速、批量測試的測試方法，并利用NI公司的LabVIEW軟件和專用測試數(shù)據(jù)采集卡DAQ(data acquisition)快速搭建了可靠的測試平臺。

1 測試電路

1.1 測試方案

常見的電流測試方法有I/V變換法、電容積分法和場效應(yīng)管 +運(yùn)算放大器(+T型電阻網(wǎng)絡(luò))法等［1－3］。與純電流量的測試不同，本測試中被測試產(chǎn)品UUT(unit under test)無法作為電流源處理，只有外加電壓后才能在被測品的供電線路上產(chǎn)生被測電流。因此，這些微電流測量方法在此處并不適用［4－5］。

本測試方法根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)中要求操作簡單、產(chǎn)能高和開發(fā)周期短等多方面的因素考慮而確定，基本思想是將產(chǎn)品在工作和待機(jī)時的微弱功耗電流轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品供電電路中的電壓變化，其電路如圖1所示。

圖1 測試電路框圖Fig.1 Block diagram of the test circuit

測試時被測試產(chǎn)品UUT固定于測試夾具上，由夾具上的測試針供電;取樣電阻上的電壓信號經(jīng)轉(zhuǎn)換電路后送給DAQ卡;測試程序?qū)AQ卡采集的電壓數(shù)值進(jìn)行處理，并依此計算出整機(jī)電流，判斷產(chǎn)品是否合格。

1.2 測試電路原理

1.2.1 穩(wěn)壓取樣電路

穩(wěn)壓取樣電路如圖2所示。

圖2 穩(wěn)壓取樣電路Fig.2 Voltage regulating and sampling circuit

由圖2可知，+12 V直流電先經(jīng)過MC7805CT穩(wěn)壓后再接取樣電阻R1，然后經(jīng)過+3 V穩(wěn)壓給被測產(chǎn)品供電。S81230PG為3 V直流穩(wěn)壓集成芯片，它為被測產(chǎn)品提供精確穩(wěn)定的工作電源;取樣電阻R1前加入了穩(wěn)壓芯片MC7805CT，這就最大限度地降低了其他電路波動對取樣精度的影響，從而起到隔離其他電路的作用。

1.2.2 測試轉(zhuǎn)換電路

測試轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)換電路Fig.3 Conversion circuit

測試轉(zhuǎn)換電路的功能主要是實現(xiàn)A、B兩點電壓差值的求?。?］，利用集成運(yùn)放高輸入阻抗、低輸出阻抗的特點，盡可能地降低轉(zhuǎn)換電路對取樣電路及被測產(chǎn)品的影響。前一級將A點電壓經(jīng)反相器反向后送到R6左側(cè)的C點，后一級實現(xiàn)B點與C點電壓的相加，電壓相加之和經(jīng)反向后輸出到端口TO_NI_Card，實現(xiàn)將R1上的壓降送到NI的DAQ卡:VA－VB=Vout，從而計算出取樣電阻R1上的電壓降。

2 電路元件的選擇

2.1 取樣電阻阻值的選擇

由S81230PG產(chǎn)品手冊可知，要使S81230PG輸出正常穩(wěn)定的3 V電壓，其輸入電壓必須大于3 V，而經(jīng)過實際測量，被測產(chǎn)品待機(jī)時的最大整機(jī)電流不超過750 μA，工作時最大電流不超過1500 μA。因此，為保證S81230PG輸入電壓符合要求，取樣電阻上的電壓分壓必須小于2 V，由此可計算出圖2中電阻R1所能

當(dāng)R1的阻值大于計算值1.333 kΩ時，則R1上的分壓將超過2 V，造成S81230PG不能正常工作。所以，給一定的裕度，取R1的值為200 Ω。同時，為了保證測量的精度，電阻選取為溫度系數(shù)小和噪聲小的金屬膜電阻，精度為1%。圖3中的電阻R2～R8對電路精度穩(wěn)定性有著同等的重要性，也選取為同類型的電阻［6］。

2.2 電容及運(yùn)放的選擇

由于被測產(chǎn)品為直流供電，測試電路測試的是直流電壓，因此，為了盡量減小高頻噪聲的影響，圖3中加入了高頻旁路電容C5、C6，且選取漏電流小、穩(wěn)定性好的小容量鉭電容;運(yùn)放選用高精度、低漂移、低失調(diào)電壓的 OP-07［7］。取得的最大阻值為:

3 測試程序中計算參數(shù)的確定

3.1 理論參數(shù)

整個測試電路模型如圖4所示。

圖4 測試原理框圖Fig.4 Testing principle

設(shè)產(chǎn)品實際整機(jī)電流為IC，取樣電阻R1上的電流為IL，I0為不接被測產(chǎn)品時取樣電阻R1上的電流值，即K斷開時中間回路的電流。I0主要由圖2中的U2、C3、C4及后面電路中的相關(guān)元件的靜態(tài)工作電流和靜態(tài)漏電流決定，在溫度等外部因素穩(wěn)定時，此電流值變化十分微小。測試程序?qū)AQ卡采集到的取樣電阻R1上電壓值Vx換算成被測產(chǎn)品的整機(jī)電流IC。

設(shè)V0為圖4中K斷開時由I0引起的R1兩端的電壓值，也就是Vx的初始值，即:

設(shè)被測產(chǎn)品為線性負(fù)載，圖4中K閉合后，產(chǎn)品的電流IC與R1兩端電壓Vx的關(guān)系為［4］:

設(shè)R1上的電流IL與R1兩端電壓Vx的關(guān)系為:

當(dāng)圖4所示開關(guān)K閉合后，有:

當(dāng)K閉合，測試電路接入被測產(chǎn)品后，R1兩端電壓增加值為產(chǎn)品整機(jī)電流IC與R1阻值的乘積。

由式(1)～式(4)可以得到:

對比式(2)和式(5)，可得:

式(6)即為程序最終判斷的計算式。

理論上，測試程序由式(2)根據(jù)取樣電阻上的電壓值計算產(chǎn)品電流IC時，系數(shù)a應(yīng)為1/R1，等于R1的實測阻值198 Ω的倒數(shù)(0.00505)，當(dāng)Vx的單位為mV時，a需要乘以1000，則:

3.2 實際參數(shù)的實驗確定

為了確定實際參數(shù)，先采用純電阻負(fù)載試驗測量出計算參數(shù)，再用實際被測產(chǎn)品的測量數(shù)據(jù)來修正參數(shù)，從而確定程序中的系數(shù)a和b。

3.2.1 理想負(fù)載時的參數(shù)

用水泥電阻代替圖1中的被測試產(chǎn)品［7］，量取電阻R1兩端的電壓Vx和水泥電阻上的電流IC，從記錄中摘取的一組測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實際測量的電壓與電流值Tab.1 Actual measured voltage and current values

由式(5)可算出:

表1中的實測電流IC為在測量時將高精度的安捷倫數(shù)字萬用表Agilent34401A串接到負(fù)載供電線上(圖4中UUT_Power點)時萬用表的讀數(shù)。

可以看出，式(8)的數(shù)值與式(7)中的理論值5.05已經(jīng)有不小的誤差。此處，可以采取多次測量計算的方法，取a'和b'的平均值，從而減小誤差。

3.2.2 修正理想負(fù)載時的參數(shù)

假設(shè)將上面計算出來的參數(shù)a'和b'代入測試程序，則此時測試程序根據(jù)R1上的電壓差Vx計算出來的電流值實際上是IL，即此時測試程序所用的計算式實際上為式(3)，而所求的電流為IC。IC與程序用參數(shù)a'和b'計算出來的電流存在差值I0(見式(4))，所以在最終的計算式中還要減去I0。

將圖4中開關(guān)K斷開，經(jīng)過實際測量R1兩端的電壓值，計算出空負(fù)載時的電流值為:

所以，程序計算用的公式為:

3.2.3 實際計算參數(shù)的修正

將被測產(chǎn)品放入測試夾具，利用式(9)計算測試電流值IC;同時，記錄實際電流值IC'，如表2所示。由表2可知，程序的計算值比實際萬用表讀數(shù)平均偏大31 μA。

表2 測試的電流值與實際電流值Tab.2 Tested current value vs.actual current value

所以，程序計算式應(yīng)加上一個修正值:

則最終的負(fù)載電流計算式為:

4 結(jié)束語

關(guān)于各種微電流測試，許多專家和學(xué)者都做了大量的研究，也提出了很多方法，這些方法大都是針對實驗室的應(yīng)用提出的，而針對工業(yè)中的實際應(yīng)用參數(shù)計算的方法很少。實際生產(chǎn)應(yīng)用表明，本文提出針對工業(yè)應(yīng)用的測量方案和參數(shù)計算及修正方法，操作簡單，有效濾除了產(chǎn)品批量檢測中的測量誤差，實際測量誤差范圍在7%以內(nèi)，能滿足工業(yè)量產(chǎn)的質(zhì)檢要求。

［1］王衛(wèi)勛.微電流檢測方法的研究［D］.西安:西安理工大學(xué)，2007.

［2］王月娥.微電流測量方法的研究［D］.西安:西安理工大學(xué)，2005.

［3］于海洋，袁瑞銘，王長瑞，等.微電流測量方法評述［J］.華北電力技術(shù)，2006(11):51 －54.

［4］陸祖光.微電流測量技術(shù)探討［J］.電測與儀表，1990，27(5):3 －7.

［5］嚴(yán)福興.極微弱光電流測量電路的設(shè)計［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報:信息與管理工程版，2006，28(11):114 －116.

［6］岡村迪夫.OP放大電路設(shè)計［M］.王玲，徐雅珍，李武平，譯.北京:科學(xué)出版社，2005:103 －106，113.

［7］沙振舜.微電流測量儀的研究［J］.電側(cè)與儀表，1993，30(3):3 －7.