CN113031685A

CN113031685A - 一种用于微功耗设备的平均功耗测试装置

Info

Publication number: CN113031685A
Application number: CN202110223604.2A
Authority: CN
Inventors: 梁伟; 高双
Original assignee: University of Shaoxing
Current assignee: University of Shaoxing
Priority date: 2021-03-01
Filing date: 2021-03-01
Publication date: 2021-06-25

Abstract

一种用于微功耗设备的平均功耗测试装置，属于微功耗检测技术领域。本发明包括可控恒流源、储能电容、负载开关、电容电压检测、测控MCU、以及测控人机接口，可控恒流源与储能电容相连，储能电容与电容电压检测相连，电容电压检测与测控MCU相连，测控MCU与测控人机接口相连，储能电容与负载开关相连，负载开关用于连接被测对象，测控MCU和测控人机接口相配合控制可控恒流源、储能电容、电容电压检测和负载开关工作。本发明采用储能电容为被测对象供电，在被测对象典型的供电电压区间里，通过储能电容消耗的电能和放电时间来计算被测对象的平均功耗，同时通过设置四种不同容值的储能电容，以适应不同功耗的被测对象。

Description

一种用于微功耗设备的平均功耗测试装置

技术领域

本发明属于微功耗检测技术领域，具体是涉及一种用于微功耗设备的平均功耗测试装置。

背景技术

随着便携式电子设备的快速发展，以及物联网系统的普及，大量的电子设备都需要使用电池来供电，这些设备为了能够保证更长的电池工作时间，都必须进行微功耗设计；在某些物联网系统中的设备，有可能使用自发电装置来为系统供电，受限于自发电装置的输出带负载能力，这些设备也必须进行微功耗设计。在进行系统设计时，需要准确获得系统的平均功耗，以与所能够配置的电池放电量匹配来保证电池更换时间；对于自发电供电的装置，系统的平均功耗也必须能够与自发电装置带负载能力匹配。因此，对这一类微功耗系统，在设计、研发和使用过程中，系统的功耗必须能够达到设计要求的指标。

在微功耗系统设计中，首先是低功耗器件的选择，然后是在软件控制下合理进行部件的上电与掉电配置，保证总的平均功耗最低。理论上是可以根据器件手册的功耗数据和它们在系统中工作的时序进行总功耗计算，但是器件手册提供的器件功耗都是一个动态范围，系统中各部分硬件的分时工作时间也可能因为外部因素导致并不固定，而是在一个动态范围变化，导致无法获得一个准确的最终平均功耗结果。故此，除了在设计中进行器件选择和各个器件的动态工作优化外，需要对实际对象的平均功耗进行测试来保证设计达标。

系统功耗的检测理论上是对系统瞬时功率的积分，即对系统的瞬时电压电流乘积进行时间上的累加。无论是使用电池供电和自发电装置供电，微功耗系统的工作电压相对稳定，但是它的工作电流波动却可能很大。以一个带蓝牙上传模块，间歇工作的力监测系统为例，这是常见的微功耗系统例子，它使用应变片桥式力传感器，它在休眠期间，设备全部掉电，控制MCU也深度睡眠，此期间系统总工作电流低于10uA，它唤醒工作期间，传感器采样或者蓝牙模块发送阶段的工作电流大于10mA，工作电流的动态变化范围大于10³数量级。对于微小直流电流测量，目前普遍使用采样电阻做I/V转换，对于10³以上数量级变化的电流范围，如果不切换采样电阻换挡，不可能保证下限最低电流的测量精度，而如果在系统工作于上限最大电流状态下切换了采样电阻到小电流采样状态，因为采样电阻增大了几个数量级，将导致采样电阻上压降过大，在供电电压固定时，总供电电压被采样电阻分走，系统供电电压大幅度跌落，结果是系统崩溃。对于带蓝牙上传模块，间歇工作的力监测系统，它在传感器采样或者蓝牙模块发送阶段的工作是系统内自身同步的，工作时间是ms级别的，外部电流测量装置难以同步切换电流采样电阻，难以具体实现对系统功耗的检测，从而难以获得微功耗设备的平均功耗。

因此需要提出一种新的方案来解决这个问题。

发明内容

本发明主要是解决上述现有技术所存在的技术问题，提供一种用于微功耗设备的平均功耗测试装置。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种用于微功耗设备的平均功耗测试装置，包括可控恒流源、储能电容、负载开关、电容电压检测、测控MCU、以及测控人机接口，所述可控恒流源与储能电容相连，所述储能电容与电容电压检测相连，所述电容电压检测与测控MCU相连，所述测控MCU与测控人机接口相连，所述储能电容与负载开关相连，所述负载开关用于连接被测对象，所述测控MCU和测控人机接口相配合控制可控恒流源、储能电容、电容电压检测和负载开关工作，所述储能电容经可控恒流源充电后，通过负载开关与被测对象相连，所述电容电压检测实时检测储能电容的电能，根据储能电容消耗的电能和放电时间来计算被测对象的平均功耗。

作为优选，所述可控恒流源包括稳压芯片Z1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、MOS管Q1、MOS管Q2、常开触点S1、常开触点S2、常开触点S3、以及运算放大器U1，所述稳压芯片Z1的阳极接运算放大器U1的同向输入端和电阻R1的一端，所述电阻R1的另一端接运算放大器U1的负电源端和地，所述稳压芯片Z1的阴极接常开触点S1，并通过常开触点S1与电阻R2的一端相连，所述稳压芯片Z1的阴极接常开触点S2，并通过常开触点S2与电阻R3的一端相连，所述运算放大器U1的反向输入端接电阻R2的另一端、电阻R3的另一端和MOS管Q2的发射极，所述运算放大器U1的输出端接MOS管Q1的基极，所述MOS管Q1的发射极接MOS管Q2的基极，所述MOS管Q1的集电极接MOS管Q2的集电极和常开触点S3。

作为优选，所述储能电容包括单刀双掷触点S4、单刀双掷触点S5、单刀双掷触点S6、电容C1、电容C2、电容C3、以及电容C4，所述单刀双掷触点S4的刀端接可控恒流源，所述单刀双掷触点S4的其中一个掷端接单刀双掷触点S5的刀端，所述单刀双掷触点S5的其中一个掷端接电容C1的一端，所述单刀双掷触点S5的另一个掷端接电容C2，所述单刀双掷触点S4的另一个掷端接单刀双掷触点S6的刀端，所述单刀双掷触点S6的其中一个掷端接电容C3的一端，所述单刀双掷触点S6的另一个掷端接电容C4的一端，所述电容C1的另一端接电容C2的另一端、电容C3的另一端和电容C4的另一端，且其公共连接端接地。

作为优选，所述负载开关包括常开触点S7、常开触点S8和电阻R4，所述常开触点S7的刀端接可控恒流源和常开触点S8，所述常开触点S7的掷端接电阻R4的一端，所述电阻R4的另一端接地。

作为优选，所述电容电压检测包括运算放大器U2A、运算放大器U2B、A/D转换器U3、电阻R5、电阻R6、电阻R7、以及电阻R8，所述运算放大器U2A的输出端接电阻R5的一端和运算放大器U2A的反向输入端，所述运算放大器U2A的负电源端接地和电阻R6的一端，所述电阻R5的另一端接电阻R6的另一端和运算放大器U2B的同向输入端，所述运算放大器U2B的输出端接运算放大器U2B的反向输入端，所述A/D转换器U3设有10个脚，所述A/D转换器U3的第一脚、第三脚和第五脚均接地，所述A/D转换器U3的第四脚接运算放大器U2B的输出端，所述A/D转换器U3的第六脚和第七脚接地，所述A/D转换器U3的第八脚接电阻R7的一端和电阻R8的一端，所述A/D转换器U3的第九脚接电阻R7的另一端，所述A/D转换器U3的第十脚接电阻R8的另一端。

本发明具有的有益效果：本发明采用储能电容为被测对象供电，在被测对象典型的供电电压区间里，通过储能电容消耗的电能和放电时间来计算被测对象的平均功耗，同时通过设置四种不同容值的储能电容，以适应不同功耗的被测对象。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图；

图2是本发明可控恒流源的一种电路示意图；

图3是本发明储能电容的一种电路示意图；

图4是本发明负载开关的一种电路示意图；

图5是本发明电容电压检测的一种电路示意图。

图中：1、可控恒流源；2、储能电容；3、负载开关；4、电容电压检测；5、测控MCU；6、测控人机接口；7、被测对象。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：一种用于微功耗设备的平均功耗测试装置，如图1-图5所示，包括可控恒流源1、储能电容2、负载开关3、电容电压检测4、测控MCU5、以及测控人机接口6，所述可控恒流源1与储能电容2相连，所述储能电容2与电容电压检测4相连，所述电容电压检测4与测控MCU5相连，所述测控MCU5与测控人机接口6相连，所述储能电容2与负载开关3相连，所述负载开关3用于连接被测对象7，所述测控MCU5和测控人机接口6相配合控制可控恒流源1、储能电容2、电容电压检测4和负载开关3工作，所述储能电容2经可控恒流源1充电后，通过负载开关3与被测对象7相连，所述电容电压检测4实时检测储能电容2的电能，根据储能电容2消耗的电能和放电时间来计算被测对象7的平均功耗。

所述可控恒流源1包括稳压芯片Z1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、MOS管Q1、MOS管Q2、常开触点S1、常开触点S2、常开触点S3、以及运算放大器U1，所述稳压芯片Z1的型号为TL4050A50，所述运算放大器U1的型号为OPA277，所述稳压芯片Z1的阳极接运算放大器U1的同向输入端和电阻R1的一端，所述电阻R1的另一端接运算放大器U1的负电源端和地，所述稳压芯片Z1的阴极接常开触点S1的刀端，所述常开触点S1的掷端接电阻R2的一端，即所述稳压芯片Z1通过常开触点S1与电阻R2相连，所述稳压芯片Z1的阴极接常开触点S2的刀端，所述常开触点S2的掷端接电阻R3的一端，即所述稳压芯片Z1通过常开触点S2与电阻R3相连，所述稳压芯片Z1的阴极接12V电压，所述运算放大器U1的反向输入端接电阻R2的另一端、电阻R3的另一端和MOS管Q2的发射极，所述运算放大器U1的正电源端接12V电压，所述运算放大器U1的输出端接MOS管Q1的基极，所述MOS管Q1的发射极接MOS管Q2的基极，所述MOS管Q1的集电极接MOS管Q2的集电极和常开触点S3的刀端，所述常开触点S3的掷端作为可控恒流源1的电流输出端IOUT。

在可控恒流源1中，MOS管Q1和MOS管Q2为运算放大器U1的输出电流扩展放大器，常开触点S1和常开触点S2相配合，可选择电阻R2或者电阻R3与MOS管Q2相连，并构成一个闭环的跟随器电路。当常开触点S3外接电流负载时，电流输出端IOUT输出恒定电流。

可控恒流源1的工作原理为：运算放大器U1通过扩展MOS管Q1和MOS管Q2构成了跟随器形式，此时运算放大器U1的同向输入端电压和反向输入端电压相等，如果常开触点S1闭合，常开触点S2断开，电阻R3两端的电压和稳压芯片Z1两端的稳定电压VZ相等，MOS管Q1和MOS管Q2相配合组成复合管，当基极电流被忽略时，集电极电流和发射极电流相等，即IOUT＝VZ/R2，是一个恒流源，此处稳压芯片Z1的稳定电压VZ为5V，则电流输出端IOUT输出0.01A；如果常开触点S2闭合，常开触点S1断开，则电流输出端IOUT输出1A。

设计可控恒流源1的目的是给不同的储能电容2充电，如图3所示，为了适应不同功耗的被测对象7，采用了0.1F、1F、10F和50F共四只不同的电容。使用恒流源为电容器充电的目的是能够随时测量储能电容2的电容值，避免因为长期使用过程中储能电容2自身电容值变化引起误差。电容值测量方法具体为：定义电容容值为C，电容两端电压为U，电容上的电荷为Q，电容充电恒流为I，电容充电时间为T，则有C＝Q/U＝I*T/U，由此可见，只要使用恒流给储能电容2，检测某一个时刻电容两端电压和已经充电的时间即可计算得出电容值。通过使用两档不同的恒流源，可分别给0.1F、1F及10F、50F电容充电，以获得比较合适的充电时间。

所述储能电容2包括单刀双掷触点S4、单刀双掷触点S5、单刀双掷触点S6、电容C1、电容C2、电容C3、以及电容C4，所述单刀双掷触点S4的刀端接电流输出端IOUT，所述单刀双掷触点S4的其中一个掷端接单刀双掷触点S5的刀端，所述单刀双掷触点S5的其中一个掷端接电容C1的一端，所述单刀双掷触点S5的另一个掷端接电容C2，所述单刀双掷触点S4的另一个掷端接单刀双掷触点S6的刀端，所述单刀双掷触点S6的其中一个掷端接电容C3的一端，所述单刀双掷触点S6的另一个掷端接电容C4的一端，所述电容C1的另一端接电容C2的另一端、电容C3的另一端和电容C4的另一端，且其公共连接端接地。

通过单刀双掷触点S4、单刀双掷触点S5和单刀双掷触点S6相配合，能够实现四种不同的储能电容2选择，即电容C1、电容C2、电容C3和电容C4四种选择，四只储能电容2分别是0.1F、1F、10F和50F。使用可选择的四只电容，目的是适应不同功耗的被测对象7。作为优选，四只电容(即电容C1、电容C2、电容C3和电容C4)的耐压均为5.5V，实际被测对象7的最大工作电压限制在4.2V以下。

所述负载开关3包括常开触点S7、常开触点S8和电阻R4，所述常开触点S7的刀端接电流输出端IOUT和常开触点S8的刀端，所述常开触点S7的掷端接电阻R4的一端，所述电阻R4的另一端接地，所述常开触点S8的掷端接被测对象7。

常开触点S7和常开触点S8相配合，能够提供三种工作状态：(1)，常开触点S7和常开触点S8均断开，对电流输出端IOUT开路，不带任何负载，这种工作状态可以对储能电容2的泄漏电阻进行测量；(2)，常开触点S7闭合，常开触点S8断开，这种工作状态可以使用负载电阻R4对储能电容2进行放电；(3)，常开触点S7断开，常开触点S8闭合，这种工作状态可以使用储能电容2对被测对象7进行放电。

所述电容电压检测4包括运算放大器U2A、运算放大器U2B、A/D转换器U3、电阻R5、电阻R6、电阻R7、以及电阻R8，所述运算放大器U2A的同向输入端接电流输出端IOUT，所述运算放大器U2A的输出端接电阻R5的一端和运算放大器U2A的反向输入端，所述运算放大器U2A的负电源端接地和电阻R6的一端，所述运算放大器U2A的正电源端接5V电压，所述电阻R5的另一端接电阻R6的另一端和运算放大器U2B的同向输入端，所述运算放大器U2B的输出端接运算放大器U2B的反向输入端，所述A/D转换器U3设有10个脚，所述A/D转换器U3的第一脚、第三脚和第五脚均接地，所述A/D转换器U3的第四脚接运算放大器U2B的输出端，所述A/D转换器U3的第六脚和第七脚均接地，所述A/D转换器U3的第八脚接电阻R7的一端和电阻R8的一端，且其公共连接端接3.3V电压，所述A/D转换器U3的第九脚接电阻R7的另一端，所述A/D转换器U3的第十脚接电阻R8的另一端。

运算放大器U2A是一个跟随器形式，作为优选，运算放大器U2A为TP5532，具有极高的输入阻抗，低至50pA的输入电流，能够保证测量过程中储能电容2的额外放电极小，可以作为等效的电容漏电阻的一部分进行合并测量。运算放大器U2A的跟随输出经电阻R5和电阻R6分压后，再经过运算放大器U2B跟随得到适合A/D转换器U3输入幅值的信号，并送至A/D转换器U3。作为优选，A/D转换器U3为16位的ADS1115，内置可编程放大器，能够为储能电容2的工作电压进行精确测量。

所述测控MCU5和测控人机接口6采用常规的嵌入式系统，测控人机接口6用于接收指令，测控MCU5通过数据线SDA和控制线SCL与A/D转换器U3相连，用于驱动电容电压检测4实时检测储能电容2的电能。此处略去具体电路，只对嵌入式系统的工作流程做介绍，测控MCU5和测控人机接口6对可控恒流源1、储能电容2、负载开关3和电容电压检测4进行控制，从而完成对被测对象7的平均功耗检测。嵌入式系统在工作前，需要对各个储能电容2的泄漏电阻进行测量并存储，具体为：将负载开关3的常开触点S7和常开触点S8全部断开，使储能电容2空载；利用单刀双掷触点S4、单刀双掷触点S5和单刀双掷触点S6相配合，选择要测试的目标电容；利用可控恒流源1的常开触点S1和常开触点S2，选择一个充电电流值，常开触点S3闭合对目标电容充电，通过电容电压检测4不断检测目标电容上的电压，直到一个合适的电压后停止充电，断开常开触点S3；检测目标电容上的电压U1，同时作为零时刻开始定时，因为电容泄漏电阻的因素，经过时间T后，目标电容上的电压会有一个微小跌落差△U，此时目标电容上的电压为U2，通过计算就可以得到目标电容的泄漏电阻RS，泄漏电阻上消耗的平均功率为W＝0.5*C*(U1²-U2²)/T，测试期间目标电容上的平均电压U＝0.5*(U1-U2)，则泄漏电阻RS＝U²/W。

对被测对象7进行平均功耗测试的步骤为：

(1)，根据估算的功耗，选择相应的储能电容2；

(2)，利用负载开关3对储能电容2进行彻底放电；

(3)，利用可控恒流源1对储能电容2进行充电，具体的充电电压截止值根据实际选用电源的正常工作电压上限设定，当充电结束时，计算出储能电容2当前实际电容值；

(4)，断开常开触点S3，利用负载开关3使储能电容2切换到被测对象7，并记录储能电容2上的电压值，然后开始记录零时刻并计时；

(5)，通过电容电压检测4实时检测储能电容2上的电压，直到储能电容2上的电压降落至实际选用电源的正常工作电压下限，记录放电时间，然后根据电容上能量的损耗算出储能电容2的平均输出功率，补偿掉电容自身泄漏电阻消耗的功率后，即可得出被测对象7的平均功耗。

以使用锂亚硫酰氯电池供电为例，这种电池的典型供电区间是3.2V-3.4V。设储能电容2的电容量C＝0.1F，电容自身泄漏电阻RS＝2MΩ，被测对象7的起始放电电压U1＝3.4V，控制放电结束电压U2＝3.2V，放电时间T1＝500S，则放电期间储能电容2消耗的能量为E1＝0.5*C(U1²-U2²)，平均功率为W1＝E1/T1，储能电容2放电期间自身平均工作电压为U3＝0.5*(U1+U2)，放电期间储能电容2自身因漏电消耗的平均功耗W2＝U3²/RS，被测对象7消耗的平均功率为W＝W1-W2，带入实际工作参数，计算可得被测对象7在典型电池供电电压区间的平均功耗W＝0.000126555W。如选用一节标称容量为2AH的锂亚硫酰氯电池ER14505为被测对象7供电，可以根据以上例子测量出被测对象7的平均功耗，计算处被测对象7的连续工作时间，具体为：以典型的锂亚硫酰氯电池放电曲线为依据，这种电池放电时间的90％阶段工作电压区间在3.2V-3.4V，为嵌入式系统可靠工作区间，以平均放电电压3.3V，电池的有效放电能量为E＝U*I*T*η＝3.3V*2A*3600s*90％＝21384J，连续放电时间T＝E/W＝68970013s≈1955天。

综上所述，本发明采用储能电容2为被测对象7供电，在被测对象7典型的供电电压区间里，通过储能电容2消耗的电能和放电时间来计算被测对象7的平均功耗，同时通过设置四种不同容值的储能电容2，以适应不同功耗的被测对象7。

最后，应当指出，以上实施例仅是本发明较有代表性的例子。显然，本发明不限于上述实施例，还可以有许多变形。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均应认为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于微功耗设备的平均功耗测试装置，其特征在于，包括可控恒流源、储能电容、负载开关、电容电压检测、测控MCU、以及测控人机接口，所述可控恒流源与储能电容相连，所述储能电容与电容电压检测相连，所述电容电压检测与测控MCU相连，所述测控MCU与测控人机接口相连，所述储能电容与负载开关相连，所述负载开关用于连接被测对象，所述测控MCU和测控人机接口相配合控制可控恒流源、储能电容、电容电压检测和负载开关工作，所述储能电容经可控恒流源充电后，通过负载开关与被测对象相连，所述电容电压检测实时检测储能电容的电能，根据储能电容消耗的电能和放电时间来计算被测对象的平均功耗。

2.根据权利要求1所述一种用于微功耗设备的平均功耗测试装置，其特征在于，所述可控恒流源包括稳压芯片Z1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、MOS管Q1、MOS管Q2、常开触点S1、常开触点S2、常开触点S3、以及运算放大器U1，所述稳压芯片Z1的阳极接运算放大器U1的同向输入端和电阻R1的一端，所述电阻R1的另一端接运算放大器U1的负电源端和地，所述稳压芯片Z1的阴极接常开触点S1，并通过常开触点S1与电阻R2的一端相连，所述稳压芯片Z1的阴极接常开触点S2，并通过常开触点S2与电阻R3的一端相连，所述运算放大器U1的反向输入端接电阻R2的另一端、电阻R3的另一端和MOS管Q2的发射极，所述运算放大器U1的输出端接MOS管Q1的基极，所述MOS管Q1的发射极接MOS管Q2的基极，所述MOS管Q1的集电极接MOS管Q2的集电极和常开触点S3。

3.根据权利要求1所述一种用于微功耗设备的平均功耗测试装置，其特征在于，所述储能电容包括单刀双掷触点S4、单刀双掷触点S5、单刀双掷触点S6、电容C1、电容C2、电容C3、以及电容C4，所述单刀双掷触点S4的刀端接可控恒流源，所述单刀双掷触点S4的其中一个掷端接单刀双掷触点S5的刀端，所述单刀双掷触点S5的其中一个掷端接电容C1的一端，所述单刀双掷触点S5的另一个掷端接电容C2，所述单刀双掷触点S4的另一个掷端接单刀双掷触点S6的刀端，所述单刀双掷触点S6的其中一个掷端接电容C3的一端，所述单刀双掷触点S6的另一个掷端接电容C4的一端，所述电容C1的另一端接电容C2的另一端、电容C3的另一端和电容C4的另一端，且其公共连接端接地。

4.根据权利要求1所述一种用于微功耗设备的平均功耗测试装置，其特征在于，所述负载开关包括常开触点S7、常开触点S8和电阻R4，所述常开触点S7的刀端接可控恒流源和常开触点S8，所述常开触点S7的掷端接电阻R4的一端，所述电阻R4的另一端接地。

5.根据权利要求1所述一种用于微功耗设备的平均功耗测试装置，其特征在于，所述电容电压检测包括运算放大器U2A、运算放大器U2B、A/D转换器U3、电阻R5、电阻R6、电阻R7、以及电阻R8，所述运算放大器U2A的输出端接电阻R5的一端和运算放大器U2A的反向输入端，所述运算放大器U2A的负电源端接地和电阻R6的一端，所述电阻R5的另一端接电阻R6的另一端和运算放大器U2B的同向输入端，所述运算放大器U2B的输出端接运算放大器U2B的反向输入端，所述A/D转换器U3设有10个脚，所述A/D转换器U3的第一脚、第三脚和第五脚均接地，所述A/D转换器U3的第四脚接运算放大器U2B的输出端，所述A/D转换器U3的第六脚和第七脚接地，所述A/D转换器U3的第八脚接电阻R7的一端和电阻R8的一端，所述A/D转换器U3的第九脚接电阻R7的另一端，所述A/D转换器U3的第十脚接电阻R8的另一端。