一種用于產(chǎn)品檢測(cè)的微電流測(cè)試方法

趙勝?gòu)?qiáng) 秦 浩

(中國(guó)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(jì)之初，微電子設(shè)備的整機(jī)電路都會(huì)針對(duì)功耗進(jìn)行特別的優(yōu)化處理，以滿足成品的待機(jī)時(shí)間和低功耗的要求;而在產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，廠商會(huì)針對(duì)產(chǎn)品的功耗性能進(jìn)行各種嚴(yán)格的測(cè)試，以保證成品的質(zhì)量。工業(yè)過(guò)程中一般用整機(jī)電流來(lái)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(duì)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(cè)試的測(cè)試方法，并利用NI公司的LabVIEW軟件和專用測(cè)試數(shù)據(jù)采集卡DAQ(data acquisition)快速搭建了可靠的測(cè)試平臺(tái)。

1 測(cè)試電路

1.1 測(cè)試方案

常見的電流測(cè)試方法有I/V變換法、電容積分法和場(chǎng)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(cè)試不同，本測(cè)試中被測(cè)試產(chǎn)品UUT(unit under test)無(wú)法作為電流源處理，只有外加電壓后才能在被測(cè)品的供電線路上產(chǎn)生被測(cè)電流。因此，這些微電流測(cè)量方法在此處并不適用［4－5］。

本測(cè)試方法根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)中要求操作簡(jiǎn)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(shí)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(cè)試電路框圖Fig.1 Block diagram of the test circuit

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

1.2 測(cè)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(guò)MC7805CT穩(wěn)壓后再接取樣電阻R1，然后經(jīng)過(guò)+3 V穩(wěn)壓給被測(cè)產(chǎn)品供電。S81230PG為3 V直流穩(wěn)壓集成芯片，它為被測(cè)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(dòng)對(duì)取樣精度的影響，從而起到隔離其他電路的作用。

1.2.2 測(cè)試轉(zhuǎn)換電路

測(cè)試轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

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

測(cè)試轉(zhuǎn)換電路的功能主要是實(shí)現(xiàn)A、B兩點(diǎn)電壓差值的求取［3］，利用集成運(yùn)放高輸入阻抗、低輸出阻抗的特點(diǎn)，盡可能地降低轉(zhuǎn)換電路對(duì)取樣電路及被測(cè)產(chǎn)品的影響。前一級(jí)將A點(diǎn)電壓經(jīng)反相器反向后送到R6左側(cè)的C點(diǎn)，后一級(jí)實(shí)現(xiàn)B點(diǎn)與C點(diǎn)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(shí)現(xiàn)將R1上的壓降送到NI的DAQ卡:VA－VB=Vout，從而計(jì)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(cè)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(guò)實(shí)際測(cè)量，被測(cè)產(chǎn)品待機(jī)時(shí)的最大整機(jī)電流不超過(guò)750 μA，工作時(shí)最大電流不超過(guò)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(jì)算出圖2中電阻R1所能

當(dāng)R1的阻值大于計(jì)算值1.333 kΩ時(shí)，則R1上的分壓將超過(guò)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(shí)，為了保證測(cè)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(duì)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(cè)產(chǎn)品為直流供電，測(cè)試電路測(cè)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(cè)試程序中計(jì)算參數(shù)的確定

3.1 理論參數(shù)

整個(gè)測(cè)試電路模型如圖4所示。

圖4 測(cè)試原理框圖Fig.4 Testing principle

設(shè)產(chǎn)品實(shí)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(cè)產(chǎn)品時(shí)取樣電阻R1上的電流值，即K斷開時(shí)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(shí)，此電流值變化十分微小。測(cè)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(cè)產(chǎn)品的整機(jī)電流IC。

設(shè)V0為圖4中K斷開時(shí)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(cè)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(cè)試電路接入被測(cè)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(duì)比式(2)和式(5)，可得:

式(6)即為程序最終判斷的計(jì)算式。

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

3.2 實(shí)際參數(shù)的實(shí)驗(yàn)確定

為了確定實(shí)際參數(shù)，先采用純電阻負(fù)載試驗(yàn)測(cè)量出計(jì)算參數(shù)，再用實(shí)際被測(cè)產(chǎn)品的測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)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(shí)的參數(shù)

用水泥電阻代替圖1中的被測(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)際測(cè)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(shí)測(cè)電流IC為在測(cè)量時(shí)將高精度的安捷倫數(shù)字萬(wàn)用表Agilent34401A串接到負(fù)載供電線上(圖4中UUT_Power點(diǎn))時(shí)萬(wàn)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(cè)量計(jì)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(shí)的參數(shù)

假設(shè)將上面計(jì)算出來(lái)的參數(shù)a'和b'代入測(cè)試程序，則此時(shí)測(cè)試程序根據(jù)R1上的電壓差Vx計(jì)算出來(lái)的電流值實(shí)際上是IL，即此時(shí)測(cè)試程序所用的計(jì)算式實(shí)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(jì)算出來(lái)的電流存在差值I0(見式(4))，所以在最終的計(jì)算式中還要減去I0。

將圖4中開關(guān)K斷開，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量R1兩端的電壓值，計(jì)算出空負(fù)載時(shí)的電流值為:

所以，程序計(jì)算用的公式為:

3.2.3 實(shí)際計(jì)算參數(shù)的修正

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

表2 測(cè)試的電流值與實(shí)際電流值Tab.2 Tested current value vs.actual current value

所以，程序計(jì)算式應(yīng)加上一個(gè)修正值:

則最終的負(fù)載電流計(jì)算式為:

4 結(jié)束語(yǔ)

關(guān)于各種微電流測(cè)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(duì)實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用提出的，而針對(duì)工業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用參數(shù)計(jì)算的方法很少。實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用表明，本文提出針對(duì)工業(yè)應(yīng)用的測(cè)量方案和參數(shù)計(jì)算及修正方法，操作簡(jiǎn)單，有效濾除了產(chǎn)品批量檢測(cè)中的測(cè)量誤差，實(shí)際測(cè)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(cè)方法的研究［D］.西安:西安理工大學(xué)，2007.

［2］王月娥.微電流測(cè)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(zhǎng)瑞，等.微電流測(cè)量方法評(píng)述［J］.華北電力技術(shù)，2006(11):51 －54.

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

［5］嚴(yán)福興.極微弱光電流測(cè)量電路的設(shè)計(jì)［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):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(jì)［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(cè)量?jī)x的研究［J］.電側(cè)與儀表，1993，30(3):3 －7.