智能产品低功耗分析技术——巧用“0V” 压降电流表

此前，我们介绍了两种低功耗分析技术：电流无缝量程切换技术和长时间数据记录技术。前者专注于解决智能设备中高速及高动态变化电流的精确测量问题，确保即使是快速变化的电流也能被精准捕捉。后者则能够支持对电流进行长达数小时乃至数周的持续记录，这对于评估产品的实际功耗以及电池续航能力至关重要。

这两种技术均在使用电源而非电池为产品供电的情况下实施，通过对被测件总电流特性的精确测量，来有效分析和优化设备的能耗表现。这样的测试方法不仅保证了数据的准确性，同时也为开发更为节能高效的电子设备提供了有力支持。

但在智能产品电流分析的过程中，很多情况下需要对子电路或功能模块进行电流的测试和分析。例如下图这个物联网模块：

在这个模块中，除了供电电池和电源管理之外，还集成了传感器、天线、微控制器（MCU）、状态显示等多个组件。如果在研发过程中需要测量TP1、TP2、TP3和TP4这几个节点的电流，以及分析它们之间的相互关系，应该采取怎样的措施呢？

相信大多数工程师的第一反应是使用示波器搭配电流探头进行测量。然而，正如我们之前讨论的，尽管示波器具有很高的采样速率，但在测量毫安（mA）以下的电流时，它基本上难以胜任。无论是设备的底噪水平还是动态范围，都无法满足从纳安（nA）到微安（uA）级别的动态电流测量需求。因此，对于这类低电流的精确测量，我们需要寻找更为专业的测量工具和方法，以确保数据的准确性和可靠性。先进的低电流测量仪器能够提供更低的底噪和更高的灵敏度，从而实现对微小电流变化的精准捕捉。

还有工程师会选择使用带有50KHz数字化仪的数字万用表，将其串联到电路中以监测从纳安（nA）到毫安（mA）级别的宽动态范围小电流。如果需要同时测量四个通道，就需要连接四台这样的设备，并通过上位机进行同步控制和数据采集。然而，一些工程师在实际尝试之后不得不放弃这种方法，因为他们在实验中遇到了被测设备出现工作异常、频繁重启甚至关机的问题。即便万用表能够显示读数，这些数值也常常不稳定，导致难以获取准确的测量结果。此外，多台设备的同步操作复杂且繁琐，进一步增加了测量难度。因此，尽管该方法理论上可行，但在实际应用中面临诸多挑战，使得许多工程师寻求更加稳定和高效的替代方案。

问题出在哪里了呢？我们来看下图

这是使用数字万用表测量电流的一种常见方法，通过将电表串联到电路中，并利用内置的高精度分流器作为电流传感器来监测电流。根据不同的电流测量档位，分流器的电阻值会有所不同。以是德科技（Keysight）34465A高性能六位半数字万用表为例，该设备能够提供精确的电流测量功能。在不同量程下，它使用相应精度的分流器来确保测量的准确性与可靠性。这种方法不仅能够满足从微安到毫安级别的宽动态范围电流测量需求，同时还能保证较高的测量精度和稳定性。通过这种方式，工程师可以有效地监控电流变化，为电路设计和故障排查提供有力支持。

34465A 高性能六位半数字万用表

在使用万用表进行电流测量时，为了达到最佳的测量精度，设备会依据输入信号的幅度自动调整量程。这种方法对于静态电流的精密测量极为有用，因为它可以确保在任何给定时刻都选用最合适的量程以获得最高精度的读数。然而，在处理动态电流时，这种方法却可能引发问题。当万用表在不同量程之间切换时，实际上是在不断改变“取样电阻”的阻值，这种变化可能会干扰电路的正常工作，导致工作异常、频繁重启，甚至使设备关机。因此，尽管自动量程调整功能在静态或稳定电流测量中表现出色，但在动态电流监测场景下，它可能不是最佳选择，需要考虑其他更适合动态电流测量的解决方案。

能否将具有无缝量程切换技术的N6781A电源模块串在回路中，用于每个功能模块动态电流的测量呢？答案是肯定的。

使用N6781A作为电流测量设备，不仅可以精确测量从纳安（nA）到安培级的宽动态范围变化电流，而且还能有效克服传统电流表由于使用“取样电阻”而带来的分压问题，并突破了传统设备20V电压限制的瓶颈。当N6781A在电流测量模式下工作时，通过将电压设置为0，可以在输入和输出端子之间维持0V的电压差。这种方法不仅保证了对高动态范围电流测量的准确性，同时也避免了因电压降而导致的测量误差，从而提供更为可靠和精确的电流监测结果。这种特性使得N6781A成为评估复杂电路及动态电流变化的理想选择。

在N6705C中，可以安装4个N6781A SMU模块，因此，它可以同步监测4路电流；或者，用其中一路供电并测量总电流，其它的用于各路电流的测量，可以极大方便测试和验证工作。同时，由于N6781A 为差分输出并浮地，所以和通用万用表一样，不必担心接地带来的问题。