超低IQ器件輕負(fù)載效率測(cè)量的常見(jiàn)錯(cuò)誤及其他考慮事項(xiàng)

引言

盡管幾乎每一名電源工程師都清楚地知道和理解效率測(cè)量的實(shí)驗(yàn)室裝置，但在通過(guò)超低靜態(tài)電流 （IQ） 測(cè)量某個(gè)器件的效率時(shí)，還是有許多我們必須考慮到的重要細(xì)節(jié)。對(duì)于一個(gè)消耗電流小于1μA的器件來(lái)說(shuō)，電路的電流非常小，很難測(cè)量到。這些測(cè)量可能相當(dāng)于計(jì)算得到的輕載效率，其遠(yuǎn)低于各種產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的標(biāo)稱(chēng)值，同時(shí)也低于在實(shí)際應(yīng)用中所看到的情況。本文將回顧效率測(cè)量的基礎(chǔ)，討論超低IQ器件輕負(fù)載效率測(cè)量過(guò)程中常見(jiàn)的一些錯(cuò)誤，并說(shuō)明如何克服這些錯(cuò)誤，從而順利地獲得精確的效率測(cè)量結(jié)果。

效率測(cè)量基礎(chǔ)

參考文獻(xiàn)1詳細(xì)說(shuō)明了通過(guò)節(jié)能或者脈沖頻率調(diào)制（PFM） 模式精確測(cè)量某個(gè)器件的效率的最理想裝置。該參考為本文涉及的話(huà)題提供了一個(gè)很好的基礎(chǔ)，讀者應(yīng)首先閱讀。一般而言，特別是在本文中，效率的定義如下：

下面總結(jié)了參考文獻(xiàn)1中的兩個(gè)重點(diǎn)。第一點(diǎn)是，所有節(jié)能模式都會(huì)從輸入電源吸取相對(duì)較大的電流脈沖。這些電流脈沖是來(lái)自輸入的AC電流。始終工作在連續(xù)導(dǎo)電或者脈寬調(diào)制 （PWM） 模式下的器件從輸入電源吸取DC電流。與PWM模式下吸取的DC電流不同，節(jié)能模式的電流脈沖在輸入電流計(jì)中形成一個(gè)錯(cuò)誤RMS電流讀取值。因此，在節(jié)能模式下測(cè)量效率的正確測(cè)試裝置包括輸入電流計(jì)之后的充足輸入電容，目的是消除PFM模式吸取的AC電流，最終給電流計(jì)呈現(xiàn)DC電流。

參考文獻(xiàn)1中的第二個(gè)重點(diǎn)是，伏特計(jì)相對(duì)于電流計(jì)的放置問(wèn)題。在效率計(jì)算過(guò)程中，嚴(yán)禁把電流計(jì)的-壓降包括在內(nèi)，這一點(diǎn)在PFM和PWM模式下都至關(guān)重要。因此，每個(gè)伏特計(jì)都應(yīng)連接至PCB的輸入和輸出電壓（理想情況下，在大多數(shù)評(píng)估組件的S+/S–頭上）。這樣便可使輸入電流計(jì)遠(yuǎn)離該電路，讓輸出電流計(jì)成為負(fù)載的一部分。圖1顯示了這種布局方法以及建議的測(cè)量裝置，以對(duì)PFM模式效率進(jìn)行最為精確的測(cè)量。

超低IQ器件效率測(cè)量的裝置問(wèn)題

超低IQ器件應(yīng)特別考慮其效率測(cè)量裝置。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，超低IQ可取近似值為約10 μA 以下。低于這一水平時(shí)，一個(gè)或者兩個(gè)伏特計(jì)吸取的輸入電流以及附加輸入電容的漏電流，會(huì)明顯影響所測(cè)得的輸入電流，從而影響計(jì)算得到的輕負(fù)載效率。請(qǐng)注意，如果使用更高漏電流的設(shè)備，則這些問(wèn)題還會(huì)關(guān)系到更高IQ的器件。參考文獻(xiàn)2詳細(xì)說(shuō)明了IQ。

輸入伏特計(jì)的輸入電阻

在圖1所示測(cè)試裝置中，兩個(gè)伏特計(jì)都有一些有限輸入電阻。例如，標(biāo)準(zhǔn)手持式電池供電型弗盧克 （Fluke） 數(shù)字萬(wàn)用表（DMM）具有約10M.的輸入電阻。盡管這看似非常大，并且似乎不可能影響效率測(cè)量，但在對(duì)一個(gè)非常常見(jiàn)的3.6V輸入電壓進(jìn)行測(cè)量時(shí)計(jì)算它吸取的電流大小后，我們便可知道答案。在這種情況下，當(dāng)對(duì)DMM終端（電阻）施加3.6V電壓時(shí)，0.36μA電流流入該表。它是360 nA的漏電流，其直接從運(yùn)用于器件的輸入電壓吸取，并流經(jīng)輸入電流計(jì)。把輸入伏特計(jì)連接該電路，可增加輸入電流360nA 如果受測(cè)器件的IQ為20-μA，則這個(gè)360 nA小于2%輸入電流，不是非常明顯。但是，如果測(cè)試的是360-nA IQ降壓轉(zhuǎn)換器（例如：TI TPS62740 等），則伏特計(jì)吸取的該額外電流會(huì)高達(dá)輸入電流的一半。這會(huì)導(dǎo)致非常大的效率測(cè)量差異。

輸出伏特計(jì)的額外負(fù)載電流

在輸出端連接的伏特計(jì)具有相同的表現(xiàn)。它吸取一些未測(cè)作負(fù)載電流的額外（漏）電流。在效率計(jì)算過(guò)程中，該漏電流并未包括在分?jǐn)?shù)分子中。輸出伏特計(jì)構(gòu)成一個(gè)額外負(fù)載，吸取額外（以及受測(cè)）輸入電流。由于這種額外未測(cè)負(fù)載電流形成高輸入電流，因此測(cè)得效率低于實(shí)際效率。

額外輸入電容的高漏電流

最后，用于消除輸入電流的附加輸入電容，可能會(huì)有足夠高的漏電流，從而從輸入吸取大量的電流。例如，一些高電容電容的最大漏電流達(dá)到數(shù)百微安級(jí)別。這種漏電流可能承時(shí)間而變化，因此在進(jìn)行任何效率測(cè)試以前都應(yīng)對(duì)其進(jìn)行檢查。如果過(guò)高，這種額外電流肯定會(huì)干擾效率計(jì)算。

測(cè)量裝置問(wèn)題的解決方案

上述3個(gè)測(cè)量裝置問(wèn)題，都有一些簡(jiǎn)單的解決方案。但是，最重要的一點(diǎn)是，知道用于獲得效率數(shù)據(jù)的裝置反而會(huì)引起效率數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確。在輕負(fù)載狀態(tài)下更是如此，因?yàn)槠潆娏鞣浅Ｐ?，很難測(cè)量。

克服輸入伏特計(jì)輸入電阻效應(yīng)

處理輸入伏特計(jì)電流泄露問(wèn)題的方法有3種：（1）斷開(kāi)伏特計(jì)；（2）在不同位置連接它；（3）對(duì)流入它的電流進(jìn)行補(bǔ)償。第一種也是最簡(jiǎn)單的方法是，正常連接伏特計(jì)，并通過(guò)它記錄下輸入電壓，然后在記錄輸入電流以前將其與輸入端斷開(kāi)。這樣，便可以在不增加輸入電流的情況下，準(zhǔn)確地測(cè)量輸入電壓。這種方法使用了最小測(cè)量誤差。從輸入電源顯示器（通常未經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)）讀取輸入電壓，然后把讀取的值用于效率計(jì)算，這種方法并不可取。相反，我們應(yīng)該使用一種高質(zhì)量、高精度的伏特計(jì)來(lái)測(cè)量EVM 的輸入電壓。這樣做可以克服輸入電源和EVM 之間線(xiàn)路和連接的小壓降。

解決漏電流問(wèn)題的第二種方法是，在不同位置連接輸入伏特計(jì)。特別是，伏特計(jì)的正極引線(xiàn)可連接至輸入電流計(jì)的正極端，同時(shí)伏特計(jì)的接地引線(xiàn)仍然與之前一樣連接至相同位置（EVM上的S-頭）。使用這種-方法，輸入伏特計(jì)不吸取任何受測(cè)電流，因此也就不影響效率計(jì)算。這種方法的缺點(diǎn)是，沒(méi)有考慮到輸入電流計(jì)的壓降。但是，在非常輕的負(fù)載狀態(tài)下，這種壓降通常并不明顯。為了最小化更大負(fù)載下出現(xiàn)的這種誤差，一旦受測(cè)輸入電流是伏特計(jì)漏電流的約100 倍時(shí)，我們便可以把輸入伏特計(jì)移至其初始位置（在輸入電流計(jì)之后）。這樣便可實(shí)現(xiàn)一種簡(jiǎn)單的測(cè)量裝置，在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，其輸入伏特計(jì)保持連接，并且誤差測(cè)量得到最小化。

處理輸入伏特計(jì)漏電流的第三種方法是，使用一個(gè)附-加電流計(jì)測(cè)量流經(jīng)它的電流（請(qǐng)參見(jiàn)圖2）。用測(cè)得-輸入電流減去流經(jīng)這個(gè)新加電流計(jì)的電流。所得結(jié)果用于計(jì)算效率。這是處理輸入伏特計(jì)漏電流的最準(zhǔn)確方法。計(jì)算得到的效率高度準(zhǔn)確，因?yàn)檩斎敕赜?jì)仍然保持連接（應(yīng)貫穿整個(gè)測(cè)試過(guò)程）。另外，假設(shè)-在整個(gè)測(cè)試過(guò)程，輸入電壓未明顯變化，則漏電流也保持非常恒定。這樣，便可在給定輸入電壓情況下進(jìn)行單次漏電流測(cè)量，并且該值可用于效率測(cè)試的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)。換句話(huà)說(shuō)，無(wú)需為所有測(cè)量點(diǎn)都記錄該附加萬(wàn)用表的數(shù)據(jù)。

克服輸出伏特計(jì)的額外負(fù)載電流

使用與輸入伏特計(jì)相同的這三種方法，也可以處理輸出伏特計(jì)的漏電流問(wèn)題。第一種方法（斷開(kāi)輸出伏特計(jì)）的使用完全相同—正常連接伏特計(jì)，讀取輸出電壓，然后斷開(kāi)它，并讀取輸入電流。第二種方法（在-不同位置連接伏特計(jì)）對(duì)于輸出電壓稍有不同。使用這種方法時(shí)，輸出伏特計(jì)應(yīng)在輸出電流計(jì)之后連接，這樣它的電流加上負(fù)載電流，便是總輸出電流。一旦負(fù)載電流是輸出伏特計(jì)漏電流的約100 倍，則可把伏特計(jì)移回其位于S+/S–頭的正常位置。第三種方法（對(duì)伏特計(jì)吸取電流進(jìn)行補(bǔ)償）的使用與輸入伏特計(jì)相同。注意，使用這種方法時(shí)，用于繪制效率數(shù)據(jù)圖的負(fù)載電流應(yīng)為負(fù)載的電流與輸出伏特計(jì)漏電流之和。如若不考慮這一點(diǎn)，負(fù)載電流軸上的效率曲線(xiàn)圖可能會(huì)稍有偏差。

當(dāng)然，消除伏特計(jì)漏電流所帶來(lái)誤差的最佳方法是使用漏電流極低的伏特計(jì)。例如，TPS62740 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中的效率數(shù)據(jù)便是使用安捷倫公司（Agilent）34410A 萬(wàn)用表測(cè)量獲得，其10-G.輸入電阻設(shè)置用于電壓測(cè)量，它產(chǎn)生的漏電流可以忽略不計(jì)，不會(huì)影響效率計(jì)算。

額外輸入電容漏電流的最小化

最后，通過(guò)選擇正確的降壓輸入電容，輸入電容的漏電流問(wèn)題可得到最大的緩解。X5R或者X7R介電陶瓷電容及其固有的低漏電流特性，適于測(cè)量超低功率效率，因?yàn)檫@些電容中使用的陶瓷技術(shù)帶來(lái)最低的漏電流。如果電壓對(duì)于陶瓷電容過(guò)高，則應(yīng)使用低漏電流聚合物或者鉭電容。查看所選電容的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)，以確定其漏電流是否會(huì)引起測(cè)量誤差，這一點(diǎn)很重要。另外，對(duì)效率測(cè)試中使用的實(shí)際電容的漏電流進(jìn)行測(cè)量也很重要。

效率測(cè)量裝置的測(cè)試結(jié)果

圖3比較了使用TPS62740EVM-186 評(píng)估模塊的幾種不同測(cè)試裝置的測(cè)得效率。我們使用了一個(gè)100-μF 陶瓷降壓輸入電容的正確測(cè)試裝置，并對(duì)進(jìn)入輸入和輸出伏特計(jì)的漏電流進(jìn)行補(bǔ)償。該降壓輸入電容足以產(chǎn)生準(zhǔn)確的結(jié)果，正如DC輸入電流所證明的那樣。如果使用阻抗更大、更長(zhǎng)的輸入電源連線(xiàn)，則輸入電流形狀可能會(huì)變得更為正弦。這會(huì)產(chǎn)生不準(zhǔn)確的輸入電流讀取值，顯示需要更多大容量輸入電容才能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的測(cè)量。

圖3還顯示了三種錯(cuò)誤測(cè)試裝置的測(cè)試結(jié)果：未考慮輸入伏特計(jì)漏電流；未考慮輸出伏特計(jì)漏電流；使用約5 μA漏電流的附加輸入電容。就這三種錯(cuò)誤測(cè)試裝置而言，錯(cuò)誤結(jié)構(gòu)相互疊加，它們累加在一起。輸入伏特計(jì)的錯(cuò)誤連接使用正確的輸入電容和正確的輸出伏特計(jì)。輸入和輸出伏特計(jì)的錯(cuò)誤連接使用正確的輸入電容。使用大漏電流輸入電容的裝置還把錯(cuò)誤的連接用于輸入和輸出伏特計(jì)。正如我們預(yù)計(jì)的那樣，使用這些最為糟糕的測(cè)試裝置，得到的效率測(cè)量結(jié)果肯定也不準(zhǔn)確。

效率測(cè)量的其他考慮事項(xiàng)

理解測(cè)量裝置對(duì)超低IQ器件效率測(cè)量產(chǎn)生的影響以后，最后還有兩個(gè)方面需要考慮：輸入電源的遙測(cè)線(xiàn)路；外部或者內(nèi)部反饋電阻器的使用。盡管并不常見(jiàn)，但它們都會(huì)影響效率。

具有遙測(cè)功能的輸入電源有時(shí)用于效率測(cè)量測(cè)試裝置，目的是在輸入電流計(jì)的負(fù)載和壓降變化時(shí)，提供一個(gè)經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓的輸入電壓。但是，正如輸入伏特計(jì)，這些遙測(cè)線(xiàn)路會(huì)吸取電流。在許多情況下，這種電流相對(duì)較大—有時(shí)達(dá)到數(shù)百微安。無(wú)需贅言，測(cè)試裝置吸取如此高的電流肯定會(huì)影響效率計(jì)算結(jié)果，從而得到錯(cuò)誤的結(jié)果。因此，為了獲得最佳結(jié)果，應(yīng)在輸入電流計(jì)“之前”（而非之后）連接輸入電源的遙測(cè)線(xiàn)路。

在超低IQ器件效率測(cè)量過(guò)程中，需要考慮的最后一點(diǎn)是，使用外部還是內(nèi)部反饋電阻器來(lái)設(shè)置輸出電壓。大多數(shù)電源都在輸出電壓（FB引腳）和接地之間使用兩個(gè)外部電阻器來(lái)設(shè)置輸出電壓。這樣便賦予用戶(hù)完全的靈活性，讓其可以把輸出電壓設(shè)置在任何希望的點(diǎn)。但是，使用外部電阻器和高敏感外部FB引腳，讓其更容易受到噪聲的影響。FB引腳處的所有外部噪聲都獲得了增益，從而帶來(lái)錯(cuò)誤的輸出電壓。為了避免出現(xiàn)這種情況，一般應(yīng)有1 μA和10 μA 之間的電流流入這兩個(gè)反饋電阻器，以保持它們對(duì)于外部噪聲源的穩(wěn)健性。由于該電流未流至負(fù)載，因此應(yīng)把它看作是一種帶來(lái)效率降低的損耗。

為了保持高效率，F(xiàn)B 引腳和兩個(gè)電阻器應(yīng)位于電源內(nèi)部，以讓其遠(yuǎn)離變化、高噪聲的外部環(huán)境。利用這種方法，一種電流最小的大電阻用于反饋電阻器，所以效率沒(méi)有明顯降低。盡管內(nèi)部反饋電阻器設(shè)置電源內(nèi)部的輸出電壓，并防止用戶(hù)對(duì)所有輸出電壓進(jìn)行設(shè)置，但是如TPS62740 等降壓轉(zhuǎn)換器克服了這種局限性。它擁有四個(gè)數(shù)字輸入引腳，讓用戶(hù)能夠從最為常見(jiàn)的輸出電壓范圍（1.8V 到3.3V）進(jìn)行選擇。同樣，許多其他TI TPS62xxx器件使用內(nèi)部方式設(shè)置輸出電壓為完全固定（與TPS62091一樣），或者可通過(guò)I2C穩(wěn)壓（與TPS62360一樣）。這些低IQ器件是首選，因?yàn)樗鼈儾皇褂猛獠侩娮杵鳎粫?huì)降低效率，但仍然允許充分的用戶(hù)可結(jié)構(gòu)性。

結(jié)論

準(zhǔn)確測(cè)量超低IQ器件的效率很難，因?yàn)殡娐返碾娏鞣浅Ｐ?。必須?duì)基本效率測(cè)量測(cè)試裝置進(jìn)行稍微改動(dòng)，以獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，以便能夠反映最終應(yīng)用中真實(shí)電路的性能?？紤]及（或）消除測(cè)量設(shè)備中的各種漏電流是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量的關(guān)鍵。

責(zé)任編輯：gt