CN112327048B - 用于电子设备的功率测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电子设备的功率测试装置及方法，所述装置包括超级电容器模块、第一电压监测电路、稳压输出模块和处理器单元；第一电压监测电路与超级电容器模块相连，实时监测超级电容器模块两端的电压值；稳压输出模块包括顺次相连的欠电压保护电路、稳压器电路和电流监测电路；欠电压保护电路的输入端与超级电容器模块的输出端相连；电流监测电路实时监测稳压输出模块的输出电流；处理器单元分别与第一电压监测电路和电流监测电路的输出端相连，基于第一电压监测电路和/或电流监测电路的输出信号，以及预设的功率计算公式，计算出被测电子设备的实际功耗。本发明能够实现低成本且精确的功耗测试，能够被应用于进行一般独立设备的使用功率测量。

Description

用于电子设备的功率测试装置及方法

技术领域

本发明属于电子设备的功耗测试技术领域，具体涉及一种用于电子设备的功率测试装置及方法。

背景技术

当今世界，5G、物联网、人工智能等一大批热点名词不断涌现，而这些技术的硬件基础是海量的独立智能电子设备。遗憾的是，虽然集成电路、无线通信等技术发展迅速，但是独立设备的供电技术仍相对发展缓慢，制约着各种新兴技术的快速发展。面对该问题，独立设备的低功耗研究或者说是能量科学管理变得越来越重要。

以智能独立设备为例，此类设备一般带有无线通信功能，因此通过设备的设计、结构、运行，使其在完成必要功能时消耗的能量最小，是可以实现的。为验证上述优化手段的有效性，功耗测试实验必不可少。目前，用于测试上述设备使用功耗的仪器一般为功率测试(分析)仪，如Keysight公司提供的功率计、直流电源分析仪等设备，可通过适当设置获得所测设备的使用功率。此类功率测试仪测量精度高、可靠性强，但设备成本非常高。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种用于电子设备的功率测试装置及方法，能够实现低成本且精确的功耗测试，能够被应用于进行一般独立设备的使用功率测量。

为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

第一方面，本发明提供了一种用于电子设备的功率测试装置，包括：

超级电容器模块；

第一电压监测电路，与所述超级电容器模块相连，实时监测超级电容器模块两端的电压值；

稳压输出模块，包括顺次相连的欠电压保护电路、稳压器电路和电流监测电路；所述欠电压保护电路的输入端与所述超级电容器模块的输出端相连；所述电流监测电路的输出端用于与待测电子设备相连，实时监测稳压输出模块的输出电流；

处理器单元，分别与所述第一电压监测电路和电流监测电路的输出端相连，基于所述第一电压监测电路和/或电流监测电路的输出信号，以及预设的功率计算公式，计算出被测电子设备的实际功耗。

可选地，所述电流监测电路包括固定电阻R_I和与所述固定电阻R_I并联的第二电压监测电路，所述第二电压监测电路的输出端与所述处理器单元相连；

当基于电流监测电路的输出信号，以及预设的功率计算公式，计算被测电子设备的实际功耗时，所述预设的功率计算公式为：

P＝V_ccI-V_II

I＝V_I/R_I

式中，P为被测电子设备的实际功耗，V_cc为稳压输出模块的输出电压，V_I为固定电阻R_I两端的电压，I为电流监测电路的输出电流值。

可选地，所述电压监测电路的输出信号为超级电容器模块的存储电压值；当基于电压监测电路的输出信号，以及预设的功率计算公式，计算被测电子设备的实际功耗时，所述预设的功率计算公式为：

式中，P为被测电子设备的实际功耗,E_t为超级电容器模块t时刻存储的电能，C_s为超级电容器模块的等效电容值，V_s为超级电容器模块的存储电压值，为超级电容器模块的存储电压值对时间的导数，V₀为超级电容器模块的初始电压值，t为所述功率测试装置的实际测试时间。

可选地，所述稳压输出模块还包括供电电压选择单元，所述供电电压选择单元与稳压器电路相连，调整所述稳压器电路的输出电压值。

可选地，所述供电电压选择单元与稳压器电路的控制管脚相连，通过调节控制管脚的电平实现调整所述稳压器电路的输出电压值。

可选地，所述超级电容器模块为单体超级电容器，所述单体超级电容器上并联有稳压二极管。

可选地，所述超级电容器模块包括若干个串、并联的单体超级电容器，各单体超级电容器上均并联有稳压二极管。

可选地，当稳压输出模块的输入端电压在上升过程中，一旦输入端电压高出稳压器电路最小输入电压一定值时，欠电压保护电路开始输出高电平信号，稳压器电路进入准备工作状态，若此时稳压器电路的输出端接入被测功率设备，得到开始工作命令后即可立即工作。若输入端电压低于上述规定值，欠压保护电路无高电平信号输出，即使人为操作开始工作命令，稳压器电路也不会工作。当稳压器电路输出端接入被测电子设备开始工作后，所述超级电容器模块不再继续充电，所述稳压输出模块的输入端电压将开始下降，在电压下降过程中，由于欠电压保护电路的作用，稳压输出模块的输出端仍保持高电平信号并保持输入端的闭合，稳压器电路继续工作，不会出现突然断开不工作的不稳定现象。

第二方面，本发明提供了一种基于第一方面中任一项所述的功率测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用第一电压监测电路实时监测超级电容器模块两端的电压值；

利用电流监测电路实时监测稳压输出模块的输出电流；

利用处理器单元基于所述第一电压监测电路和/或电流监测电路的输出信号，以及预设的功率计算公式，计算出被测电子设备的实际功耗。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提供的一种用于电子设备的功率测试装置及方法，可以在控制成本并保证测量精度的条件下，满足被测电子设备爆发式增长形势下的功率测试需求。且本发明开发成本低、具备一定的通用性，不仅可以获得被测电子设备的实时功率变化曲线，还可以获得被测设备在特定时间段内的平均功耗值。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明一种实施例的用于电子设备的功率测试装置的结构示意图；

图2为图1中稳压器输出模块的结构示意图；

图3为图1中超级电容器模块的结构示意图；

图4为超级电容器模块的自放电等效模型；

图5为电源管理单元实际工作效率曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

实施例1

本发明实施例中提供了一种用于电子设备的功率测试装置，如图1-2所示，具体包括：超级电容器模块、第一电压监测电路、稳压输出模块和处理器单元；

所述第一电压监测电路与所述超级电容器模块相连，实时监测超级电容器模块两端的电压值；在具体实施过程中，所述第一电压监测电路可直接选用通用的台式数字万用表实现，也可选用基于微控制器及模数转换模块开发的电压监测电路，在具体选择时应关注输入阻抗及采样率等参数，并根据实际测试需求做出取舍；

所述稳压输出模块包括顺次相连的欠电压保护电路、稳压器电路和电流监测电路；所述欠电压保护电路的输入端与所述超级电容器模块的输出端相连；所述电流监测电路的输出端用于与待测电子设备相连，实时监测稳压输出模块的输出电流；

所述处理器单元分别与所述第一电压监测电路和电流监测电路的输出端相连，基于所述第一电压监测电路和/或电流监测电路的输出信号，以及预设的功率计算公式，计算出被测电子设备的实际功耗。

参考目前绝大多数独立智能设备的平均功耗数据，本发明实施例中的功率测试装置主要用于微功耗设备的功率测试，即被测电子设备的平均功率在毫瓦(mW)级别。根据该设计要求，给出稳压输出模块的一组典型参数如下：稳压器最大输出功率为1W，输出电压范围在0到12V之间可调，最大输出电流330mA。参考上述参数，电流监测电路中的固定电阻值R_I可选择为0.1Ω。

综上可见，本发明实施例中的功率测试装置，提供了两种测量被测电子设备的实际功耗的方法，方法一：是通过测量超级电容器模块两端的电压值，并结合相应的功率计算公式，获得被测电子设备的实际功耗；方法二是：测量稳压输出模块的输出电流，并结合相应的功率计算公式，获得被测电子设备的实际功耗。这两种方法可单独进行，也可同时进行。

下面对方法一的详细测量过程进行详细描述。

所述第一电压监测电路的输出信号为超级电容器模块的存储电压值，选择通过监测超级电容器模块两端的存储电压值，进而得到超级电容器模块存储电能的变化量，再求导即可获得实际功率的变化曲线，要求功率测试装置所处的环境温度在23℃±5℃范围内，并要求超级电容器模块在充电至初始电压V₀后保持一段时间。之后断开超级电容器模块的充电电路，同时接通被测电子设备，一旦被测电子设备开始工作并产生功耗，超级电容器模块中存储的电能就会被消耗，导致存储电压值不断降低；假设超级电容器模块等效电容值为C_s，记录存储电压值V_s及对应的时间t，则可根据下式计算各个时刻超级电容器模块累计消耗的电能：

知道消耗的电能及对应的时间，则可通过经典物理学中电能、功率之间的定义求得功率：

式中，P为被测电子设备的实际功耗,E_t为超级电容器模块t时刻存储的电能，C_s为超级电容器模块的等效电容值，V_s为超级电容器模块的存储电压值，为超级电容器模块的存储电压值对时间的导数，V₀为超级电容器模块的初始电压值，t为所述功率测试装置的实际测试时间。

该功率测试方案的优势是稳压器电路的输出电压不会变化(此时电流监测电路中固定电阻的阻值为0)，可获得被测电子设备在不同供电电压下的功率值。但由于超级电容器模块存在自放电现象，稳压输出模块也存在一定的转换效率。该测量方法中需要考虑修正上述两种主要现象的影响，否则通过上述公式计算获得的功率值将偏大。为此，需提前测试获得功率测试装置的自放电及转换效率等影响因素，获得数据修正规律，再通过查表法或编写程序自行修正功率值。另外，若想利用该方法尽可能精确地获得设备的瞬时功率值，要求监测存储电压值的采样频率较高，若自行设计电压采集单元，会增加一定的硬件成本；但可以通过通用的电压测量仪器解决该问题。

下面对方法二的详细测量过程进行详细描述。

所述电流监测电路包括固定电阻R_I和与所述固定电阻R_I并联的第二电压监测电路，由所述第二电压监测电路测量固定电阻R_I两端电压V_I，所述第二电压监测电路的输出端与所述处理器单元相连，当基于电流监测电路的输出信号，以及预设的功率计算公式，计算被测电子设备的实际功耗时，所述预设的功率计算公式为：

P＝V_ccI-V_II

I＝V_I/R_I

式中，P为被测电子设备的实际功耗，V_cc为稳压输出模块的输出电压(即供电电压)，V_I为固定电阻两端电压，I为电流监测电路的输出电流值。以上述举例的典型参数为例，因为电流监测电路中的固定电阻值R_I为0.1Ω，在稳压输出模块输出稳定的3V直流电压时，电流监测电路的最大压降为0.03V，波动小于1％，可认为不影响被测电子设备的稳定工作。

基于上述的功率计算过程，要求测量过程中保持周围的环境温度在23℃±5℃范围内，固定电阻的阻值变化率在±1％以内。该功率测试原理简单易于实现，但要求固定电阻对稳压输出电路的输出电压影响不超过1％。因此可认为被测电子设备的实际供电电压等于(V_cc-V_I)，约等于Vcc。由于大多数被测电子设备的工作电压存在一个范围，供电电压的波动并不影响其正常工作。但为尽可能的降低引入固定电阻阻值的影响，在保证测量精度的条件下，所选择的固定电阻的阻值应当尽可能的小；该测量方法适合用于测量电子设备的平均功耗，或对瞬时功耗精度要求较低的场合，认为供电电压波动对设备实际功耗影响不大或不考虑供电电压值与功耗的影响关系。

更进一步，若要更加精确地测量被测电子设备功耗，可在处理器单元中考虑上述压降影响，采用软件修正方案扣除电流监测电路中固定电阻值的影响。

在具体实施过程中，所述第二电压监测电路应选用采样率较高的模数转换芯片与高速微控制器结合的电路，确保能够获得被测电子设备的实时功率变化曲线；若测量一段时间内的平均功率，可适当降低采样率。或者，所述第二电压监测电路还可选择通用的数据采集卡、示波器、甚至台式数字万用表实现，但在选择仪器时应关注仪器的输入阻抗及采样率等参数，并根据实际测试需求做出取舍。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，为测试智能电子设备在不同标准供电电压下的功耗，或扩大测试设备的选择范围，所述稳压输出模块还包括供电电压选择单元，所述供电电压选择单元与稳压器电路相连，调整所述稳压器电路的输出电压值；在具体实施过程中，所述供电电压选择单元与稳压器电路的控制管脚相连，通过调节控制管脚的电平实现调整所述稳压器电路的输出电压值，获得预定的标准直流供电电压值。在具体实施过程中，所述供电电压选择单元与稳压器电路优选集成到一起，测试人员通过简单的开关拨动操作即可确定输出的标准电压值；电平的设置可由微控制器控制实现，也可通过设计的硬件电路借助人工切换选择实现。本发明实施例中的稳压器电路类似基于开关电源电路，且一般属于降压型DC/DC稳压器，具有较高的电压转换效率，自身功耗较低，符合本装置的实际应用场景。如图2所示，一般来说，装置应尽可能使用单个稳压器实现输出电压值可调，可通过设置稳压器电路中开关管控制信号的占空比实现，而占空比的生成通过内部比较器输入端的参考电压值进行控制。因此供电电压的调节功能，最终是通过调节比较器输入端参考电压值实现的。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述超级电容器模块为单体超级电容器，由于单体超级电容器一般在过充条件下及其容易损失使用寿命，为实现电路稳定、可靠，所述单体超级电容器上并联有稳压二极管。在本发明实施例的其他实施例中，为提高功率测量精度，超级电容器模块两端电压值的变化范围应尽可能的大，并且选择降压型的稳压器。所述超级电容器模块包括若干个串联的单体超级电容器，所述单体超级电容器上并联有稳压二极管。另外，为解决串联超级电容器模块在充、放电过程中的不一致性问题，还可以选择开关电阻，开关电感等等方法，此类方法属于电压主动保护技术，大大节约了模块充电过程中的能耗，但可靠性略差。进一步地，所述超级电容器模块中还并联有单体超级电容器，为保证模块的使用寿命，单体电容器不能过度充放电，因此模块内部还应增加必要的电压均衡控制电路。对于功耗不同的被测设备，为获得较高的测量精度，超级电容器模块的等效电容值不应该一层不变，因此超级电容器模块中的并联方式应该是可选择的，对于功耗较小的设备，可以不要求并联，对于功耗较大的设备，可以根据功耗大小设置并联支路的个数。

本发明实施例中的欠电压保护电路似电压滞回比较器，当稳压输出模块的输入端电压在上升过程中，一旦输入端电压高出稳压器电路最小输入电压一定值时，欠电压保护电路开始输出高电平信号，稳压器电路进入准备工作状态，若此时稳压器电路的输出端接入被测功率设备，得到开始工作命令后即可立即工作。若输入端电压低于上述规定值，欠压保护电路无高电平信号输出，即使人为操作开始工作命令，稳压器电路也不会工作。当稳压器电路输出端接入被测电子设备开始工作后，所述超级电容器模块不再继续充电，所述稳压输出模块的输入端电压将开始下降，在电压下降过程中，由于欠电压保护电路的作用，稳压输出模块的输出端仍保持高电平信号并保持输入端的闭合，稳压器电路继续工作，不会出现突然断开不工作的不稳定现象。该设计最大程度地保证本发明的功率测试装置能够稳定工作。

由于超级电容器存在充放电使用寿命，超级电容器模块应做到标准化设计，即单体电容器串、并联个数设计、保护电路设计等要标准化。例如确定电容器具体的串、并联个数，保护电压值等，而具体上述参数值需通过对同一厂家同一容值标量的单体超级电容器进行大量测试实验优化获得。

超级电容器模块是本装置的核心，通过测试超级电容器模块存储电压值的变化可以计算超级电容器模块存储电能的变化情况，因此需要精确地知道超级电容器模块的电容值。但由于电容器的自身特性，其标称电容值往往存在很大误差，电容器存储电能后还存在自放电现象，因此需要对初始搭建的超级电容器模块进行相关参数测试，如等效电容值、等效串联电阻、自放电电阻等，再根据超级电容器自放电理论模型计算出电容器在不同初始电压下的自放电特征，用于后续的功率修正。在具体实施过程中，可以采用经典的两支路电容模型计算超级电容器模块的自放电现象，如图4所示。其中电阻R₀和电容C₀是第一个分支的主分支，差分电容的等效容值C₁和等效存储电容C_s的两端存储电压相关，主分支支配超级电容器模块响应充电过程的即时行为，并捕获电容对设备实际电压范围内端电压线性相关性的影响，该分支确定了充电和放电周期中的短期电压变化。电阻R₂和电容C₂是第二个分支，属于延迟分支，它表示中长期电荷再分布，电压降低是电荷重新分布的结果。电阻R_EPR要决定了自放电率，其值与电容本身性质有关。通过规定的实验测得恒定充电电流条件下，超级电容器模块两端的电压变化曲线，即可根据相关公式计算获得R₀，R₂，C₀，C₁和C₂的具体数值，进而得到超级电容器模块的自放电函数。获得自放电函数模型后，可通过编程自动修正所要测量的功率值。

更详细地，一般自放电函数模型中的电阻R_EPR是关于超级电容器模块存储电压V_s的微分方程，在一般低成本处理器单元中较难计算。因此前期可对电阻R_EPR关于V_s的变化曲线进行分段线性拟合，该拟合方法可极大地降低自动修正所需的计算量。

进一步考虑功率测量中的系统误差，稳压输出模块实际工作效率也不可忽略。由于必须采用稳压输出模块提供稳定的供电电压，确保系统功耗测试能够顺利进行，因此同样有必要通过规定的实验测得稳压输出模块的工作效率，再将该结果用于后续的功率修正。图5给出了基于某稳压输出模块搭建的电源管理单元的工作效率曲线，可见工作效率主要受到稳压电路输出电流I_out、输入输出端电压差(V_IN-V_cc)的影响。此时，可以通过大量的实验测量结果，建立电源管理单元工作效率随上述两种参数影响的函数，再通过编程自动修正所要测量的功率值。

实施例2

本发明实施例中提供了一种基于实施例1中任一项所述的功率测试装置的测试方法，包括以下步骤：

利用第一电压监测电路实时监测超级电容器模块两端的电压值；

利用电流监测电路实时监测稳压输出模块的输出电流；

利用处理器单元基于所述第一电压监测电路和/或电流监测电路的输出信号，以及预设的功率计算公式，计算出被测电子设备的实际功耗。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种用于电子设备的功率测试装置，其特征在于，包括：

超级电容器模块；

第一电压监测电路，与所述超级电容器模块相连，实时监测超级电容器模块两端的电压值；

稳压输出模块，用于为待测电子设备提供供电电压，包括顺次相连的欠电压保护电路、稳压器电路和电流监测电路；所述欠电压保护电路的输入端与所述超级电容器模块的输出端相连；所述电流监测电路设置在稳压器电路和待测电子设备之间，实时监测稳压输出模块的输出电流；

处理器单元，分别与所述第一电压监测电路和电流监测电路的输出端相连，基于所述第一电压监测电路和/或电流监测电路的输出信号，以及预设的功率计算公式，计算出被测电子设备的实际功率；

所述功率测试装置提供了两种测量被测电子设备的实际功率的方法，方法一：是通过测量超级电容器模块两端的电压值，并结合相应的功率计算公式，获得被测电子设备的实际功率；方法二是：测量稳压输出模块的输出电流，并结合相应的功率计算公式，获得被测电子设备的实际功率，这两种方法可单独进行，也可同时进行。

2.根据权利要求1所述的一种用于电子设备的功率测试装置，其特征在于：所述电流监测电路包括固定电阻R_I和与所述固定电阻R_I并联的第二电压监测电路，所述第二电压监测电路的输出端与所述处理器单元相连；

当基于电流监测电路的输出信号，以及预设的功率计算公式，计算被测电子设备的实际功率时，所述预设的功率计算公式为：

P＝V_ccI-V_II

I＝V_I/R_I

式中，P为被测电子设备的实际功率，V_cc为稳压输出模块的输出电压，V_I为固定电阻R_I两端的电压，I为电流监测电路的输出电流值。

3.根据权利要求1所述的一种用于电子设备的功率测试装置，其特征在于：所述电压监测电路的输出信号为超级电容器模块的存储电压值；当基于电压监测电路的输出信号，以及预设的功率计算公式，计算被测电子设备的实际功率时，所述预设的功率计算公式为：

式中，P为被测电子设备的实际功率,E_t为超级电容器模块t时刻存储的电能，C_s为超级电容器模块的等效电容值，V_s为超级电容器模块的存储电压值，为超级电容器模块的存储电压值对时间的导数，V₀为超级电容器模块的初始电压值，t为所述功率测试装置的实际测试时间。

4.根据权利要求1所述的一种用于电子设备的功率测试装置，其特征在于：所述稳压输出模块还包括供电电压选择单元，所述供电电压选择单元与稳压器电路相连，调整所述稳压器电路的输出电压值。

5.根据权利要求4所述的一种用于电子设备的功率测试装置，其特征在于：所述供电电压选择单元与稳压器电路的控制管脚相连，通过调节控制管脚的电平实现调整所述稳压器电路的输出电压值。

6.根据权利要求1所述的一种用于电子设备的功率测试装置，其特征在于：所述超级电容器模块为单体超级电容器，所述单体超级电容器上并联有稳压二极管。

7.根据权利要求1所述的一种用于电子设备的功率测试装置，其特征在于：所述超级电容器模块包括若干个串、并联的单体超级电容器，各单体超级电容器上均并联有稳压二极管。

8.根据权利要求1所述的一种用于电子设备的功率测试装置，其特征在于：当稳压输出模块的输入端电压在上升过程中，一旦输入端电压高出稳压器电路最小输入电压一定值时，欠电压保护电路开始输出高电平信号，稳压器电路进入准备工作状态，若此时稳压器电路的输出端接入被测电子设备，得到开始工作命令后即可立即工作；若输入端电压低于规定值，欠压保护电路无高电平信号输出，即使人为操作开始工作命令，稳压器电路也不会工作；当稳压器电路输出端接入被测电子设备开始工作后，所述超级电容器模块不再继续充电，所述稳压输出模块的输入端电压将开始下降，在电压下降过程中，由于欠电压保护电路的作用，稳压输出模块的输出端仍保持高电平信号并保持输入端的闭合，稳压器电路继续工作，不会出现突然断开不工作的不稳定现象。

9.一种基于权利要求1-8中任一项所述的功率测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用第一电压监测电路实时监测超级电容器模块两端的电压值；

利用电流监测电路实时监测稳压输出模块的输出电流；

利用处理器单元基于所述第一电压监测电路和/或电流监测电路的输出信号，以及预设的功率计算公式，计算出被测电子设备的实际功率。