CN115598410B - 一种功耗采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种功耗采集系统及方法，涉及功耗采集技术领域。功耗采集系统，包括电流电压采样模块、第一差分运算放大模块、第二差分运算放大模块、第三差分运算放大模块和处理模块；所述第一差分运算放大模块和所述第三差分运算放大模块分别与所述电流电压采样模块连接；所述第二差分运算放大模块与所述第一差分运算放大模块连接；所述第二差分运算放大模块和所述第三差分运算放大模块还分别与所述处理模块连接，可以实现功耗采集全范围内的采集精度趋于统一，低功耗场景采集精度大幅度提升；功耗采集精度提高，可信度提高，可减少研发人员测试次数，缩短研发周期。

Description

一种功耗采集系统及方法

技术领域

本申请涉及功耗采集技术领域，尤其涉及一种功耗采集系统及方法。

背景技术

随着消费电子和集成芯片的快速发展，集成芯片内部集成的模块越来越多，同时消费电子要求可实现的功能也越来越多，在当前电池容量受限于体积，容量一定的情况下，自然就对消费电子产品和其使用的芯片提出了更高的功耗要求。对于生产消费电子和消费电子产业芯片的企业而言，功耗测试是必不可少的项目，例如测试产品各模块常规功耗和待机功耗，测试芯片各模块的常规功耗和待机功耗。

目前，常用的功耗采集系统主要在于采集负载电流和电压，但是电流采集过程中，涉及不同的应用场景，有不同的负载电流范围，综合电流范围较广，电流采集系统在全范围内无法做到采集精度的一致性，常见的问题就是小电流应用场景下采集电流不准，同时当前的产品使用芯片多，供电电压不一，直接使用采集系统采集电压也存在低压采集精度低的问题。

因此，亟需一种可以解决低功耗采集精度低以及采集数据不准确的问题，提高功耗采集系统的稳定性和可靠性的功耗采集系统。

发明内容

本申请的目的在于提供一种功耗采集系统及方法，以解决现有功耗采集系统存在低功耗采集精度低以及采集数据不准确的问题，降低了功耗采集系统的稳定性和可靠性的问题。

第一方面，本申请提供一种功耗采集系统，所述系统包括：

电流电压采样模块、第一差分运算放大模块、第二差分运算放大模块、第三差分运算放大模块和处理模块；所述第一差分运算放大模块和所述第三差分运算放大模块分别与所述电流电压采样模块连接；所述第二差分运算放大模块与所述第一差分运算放大模块连接；所述第二差分运算放大模块和所述第三差分运算放大模块还分别与所述处理模块连接；

所述处理模块，用于在检测到所述电流采集放大后输出电压或所述电压采集放大后输出电压小于预设参考电压的情况下，通过控制所述第二差分运算放大模块对应的目标通道处于导通状态，以及控制所述第三差分运算放大模块对应的目标通道处于导通状态，获取所述第二差分运算放大模块发送的电流采集放大后输出电压，和所述第三差分运算放大模块发送的电压采集放大后输出电压，其中，所述电流采集放大后输出电压和所述电压采集放大后输出电压和所述预设参考电压匹配；

所述处理模块，还用于基于所述电流采集放大后输出电压和所述电压采集放大后输出电压确定功耗；

其中，所述电流电压采样模块，用于向所述第一差分运算放大模块提供电流采集电压，以及向所述第三差分运算放大模块提供负载电源电压；所述第一差分运算放大模块用于将所述电流采集电压进行差分运算得到第一差分输出电压；所述第二差分运算放大模块用于对所述第一差分输出电压在对应的所述目标通道处于导通状态的情况下进行电压放大处理，得到所述电流采集放大后输出电压；所述第三差分运算放大模块，用于对所述负载电源电压分压后的电压进行在对应的所述目标通道处于导通状态的情况下进行电压放大处理，得到电压采集放大后输出电压。

采用上述技术方案的情况下，本申请实施例提供的功耗采集系统，所述处理模块用于在检测到所述电流采集放大后输出电压或所述电压采集放大后输出电压小于预设参考电压的情况下，通过控制所述第二差分运算放大模块对应的目标通道处于导通状态，以及控制所述第三差分运算放大模块对应的目标通道处于导通状态，获取所述第二差分运算放大模块发送的电流采集放大后输出电压，和所述第三差分运算放大模块发送的电压采集放大后输出电压，其中，所述电流采集放大后输出电压和所述电压采集放大后输出电压和所述预设参考电压匹配；可以实现功耗采集全范围内的采集精度趋于统一，低功耗场景采集精度大幅度提升；功耗采集精度提高，可信度提高，可减少研发人员测试次数，缩短研发周期。

在一种可能的实现方式中，所述第二差分运算放大模块包括第二差分运算放大器、设置在所述第二差分运算放大器负反馈端的第一电阻集合单元；所述第一电阻集合单元包括多个并联设置的不同阻值的负反馈电阻：所述第二差分运算放大模块还包括和所述第一电阻集合单元连接的第一模拟开关单元，所述第一模拟开关单元中包括多个第一子开关，多个所述第一子开关和所述第一电阻集合单元中的多个负反馈电阻一一对应设置；所述第二差分运算放大器的输入端和所述第一电阻集合单元分别与所述第一差分运算放大模块的输出端连接，所述第一模拟开关单元和所述第二差分运算放大器的输出端分别与所述处理模块连接；

所述第一模拟开关单元在接收到所述处理模块发送的电阻选通信号的情况下，控制所述电阻选通信号相应负反馈电阻对应的目标第一子开关处于导通状态，以供所述第二差分运算放大器在所述目标第一子开关处于导通状态的情况下进行电流采集电压放大，将电流采集电压放大处理完成的所述电流采集放大后输出电压发送至所述处理模块。

在一种可能的实现方式中，所述第三差分运算放大模块包括分压电阻单元，以及设置在所述分压电阻单元后端的第三差分运算放大器、设置在所述第三差分运算放大器负反馈端的第二电阻集合单元；所述第二电阻集合单元包括多个并联设置的不同阻值的负反馈电阻：所述第三差分运算放大模块还包括和所述第二电阻集合单元连接的第二模拟开关单元，所述第二模拟开关单元中包括多个第二子开关，多个所述第二子开关和所述第二电阻集合单元中的多个负反馈电阻一一对应设置；所述第三差分运算放大器的第一输入端与所述分压电阻单元的输出端连接，所述第三差分运算放大器的第二输入端和所述第二电阻集合单元的一端连接；所述第二电阻集合单元的另一端和所述第二模拟开关单元的一端连接；所述第二模拟开关单元的另一端和所述第三差分运算放大器的输出端分别与所述处理模块连接；

所述第二模拟开关单元在接收到所述处理模块发送的电阻选通信号的情况下，控制所述电阻选通信号相应负反馈电阻对应的目标第二子开关处于导通状态，以供所述第三差分运算放大器在所述目标第二子开关处于导通状态的情况下进行电压采集电压放大，将电压采集电压放大处理完成的所述电压采集放大后输出电压发送至所述处理模块。

在一种可能的实现方式中，所述第一差分运算放大模块包括外围电阻单元、第一差分运算放大器和后端输入电阻，所述外围电阻单元包括第一外围电阻、第二外围电阻、第三外围电阻和第四外围电阻；

其中，所述第一外围电阻的一端和所述第一差分运算放大器的正输入端连接，另一端和所述电流电压采样模块连接；所述第二外围电阻的一端和所述第一差分运算放大器的负输入端连接，另一端和所述电流电压采样模块连接；所述第三外围电阻的一端设置在所述第一外围电阻和所述第一差分运算放大器之间完成连接，另一端接地；所述第四外围电阻的一端设置在所述第二外围电阻和所述第一差分运算放大器的负输入端之间完成连接，另一端与所述第一差分运算放大器的输出端连接；所述后端输入电阻的一端和所述第一差分运算放大器的输出端连接，另一端和所述第二差分运算放大器的负输入端连接。

在一种可能的实现方式中，所述电流电压采样模块包括负载单元，以及与所述负载单元的一端连接的电流采样电阻；所述负载单元远离所述电流采样电阻的一端设置有电压采样点，所述分压电阻单元在所述电压采样点实现与所述负载单元的连接，所述电流采样电阻的两侧设置有电流采样点，两个电流采样点分别和所述第一差分运算放大器输入端上的所述第一外围电阻和所述第二外围电阻交叉连接：

所述负载单元，用于在所述电压采样点向所述第三差分运算放大模块提供负载电源电压；

所述负载单元，用于结合所述电流采样电阻，在电流采样点向所述第一差分运算放大模块提供电流采集电压。

在一种可能的实现方式中，所述处理模块包括：相互电连接的微处理器、模数转换子模块和输入输出控制接口子模块，所述模数转换子模块和所述第二差分运算放大器的输出端，以及所述第三差分运算放大器的输出端连接；所述输入输出控制接口子模块分别和所述第一模拟开关单元以及所述第二模拟开关单元连接；

所述模数转换子模块，用于获取所述第二差分运算放大模块发送的电流采集放大后输出电压，和所述第三差分运算放大模块发送的电压采集放大后输出电压；

所述输入输出控制接口子模块，用于控制所述第二差分运算放大模块对应的目标通道处于导通状态，以及控制所述第三差分运算放大模块对应的目标通道处于导通状态；

所述微处理器，用于基于所述电流采集放大后输出电压和所述电压采集放大后输出电压确定功耗。

在一种可能的实现方式中，所述微处理器，还用于在检测到所述电流采集放大后输出电压或所述电压采集放大后输出电压小于预设参考电压的情况下，通过所述输入输出控制接口子模块控制所述第二差分运算放大模块对应的目标通道处于导通状态，以及所述输入输出控制接口子模块控制所述第三差分运算放大模块对应的目标通道处于导通状态的情况下，通过所述模数转换子模块获取所述第二差分运算放大模块发送的电流采集放大后输出电压，和所述第三差分运算放大模块发送的电压采集放大后输出电压，其中，所述电流采集放大后输出电压和所述电压采集放大后输出电压和所述预设参考电压匹配。

在一种可能的实现方式中，在检测到所述电流采集放大后输出电压或所述电压采集放大后输出电压小于预设参考电压的情况下，所述微处理器，用于根据预存电流采集电压和负反馈电阻的对应关系确定所述第一电阻集合单元中对应的目标反馈电阻，以供所述目标反馈电阻对应的第一模拟开关中的目标开关处于导通状态；

在检测到所述电流采集放大后输出电压或所述电压采集放大后输出电压小于预设参考电压的情况下，所述微处理器，还用于根据预存电压采集电压和负反馈电阻的对应关系确定所述第二电阻集合单元中对应的目标反馈电阻，以供所述目标反馈电阻对应的第二模拟开关中的目标开关处于导通状态。

在一种可能的实现方式中，所述第一模拟开关单元和所述第二模拟开关单元的初始状态配置一个对应的子开关处于导通状态。

第二方面，本申请还提供一种功耗采集方法，应用于第一方面任一所述的功耗采集系统中，所述方法包括：

所述处理模块在检测到所述电流采集放大后输出电压或所述电压采集放大后输出电压小于预设参考电压的情况下，通过控制所述第二差分运算放大模块对应的目标通道处于导通状态，以及控制所述第三差分运算放大模块对应的目标通道处于导通状态，获取所述第二差分运算放大模块发送的电流采集放大后输出电压，和所述第三差分运算放大模块发送的电压采集放大后输出电压，其中，所述电流采集放大后输出电压和所述电压采集放大后输出电压和所述预设参考电压匹配；

所述处理模块基于所述电流采集放大后输出电压和所述电压采集放大后输出电压确定功耗；

其中，所述电流电压采样模块向所述第一差分运算放大模块提供电流采集电压，以及向所述第三差分运算放大模块提供负载电源电压；所述一差分运算放大模块将所述电流采集电压进行差分运算得到第一差分输出电压；所述第二差分运算放大模块对所述第一差分输出电压在对应的所述目标通道处于导通状态的情况下进行电压放大处理，得到所述电流采集放大后输出电压；所述第三差分运算放大模块对所述负载电源电压分压后的电压进行在对应的所述目标通道处于导通状态的情况下进行电压放大处理，得到电压采集放大后输出电压。

第二方面提供的功耗采集方法的有益效果与第一方面或第一方面任一可能的实现方式描述的功耗采集系统的有益效果相同，此处不做赘述。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出了本申请实施例提供的一种传统的常用功耗采集系统的电路结构示意图；

图2示出了本申请实施例提供的一种功耗采集系统的电路结构示意图。

附图标记：

10-电流电压采样模块；20-第一差分运算放大模块；30-第二差分运算放大模块；40-第三差分运算放大模块；50-处理模块；301-第二差分运算放大器；302-第一电阻集合单元；303-第一模拟开关单元；401-分压电阻单元；402-第三差分运算放大器；403-第二电阻集合单元；404-第二模拟开关单元；201-第一差分运算放大器；R-传统外围电阻；RF-反馈电阻；R1-第一外围电阻；R2-第二外围电阻；R3-第三外围电阻；R4-第四外围电阻；R5-后端输入电阻；RH-高分压电阻；RL-低分压电阻；101-负载单元；102-电流采样电阻；C-电压采样点；D-电流采样点；501-微处理器；502-模数转换子模块；503-输入输出控制接口子模块。

具体实施方式

为了便于清楚描述本申请实施例的技术方案，在本申请的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。例如，第一阈值和第二阈值仅仅是为了区分不同的阈值，并不对其先后顺序进行限定。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。

需要说明的是，本申请中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

本申请中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项（个）”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项（个）或复数项（个）的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项（个），可以表示：a，b，c，a和b的结合，a和c的结合，b和c的结合，或a、b和c的结合，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

图1示出了本申请实施例提供的一种传统的常用功耗采集系统的电路结构示意图，如图1所示，传统的常用功耗采集系统负载单元101产生的负载电流流过电流采样电阻102产生压降，压降经过第一差分运算放大器201（APM1）被放大得到电流采集电压V1，V1被微处理器501(MCU501）的模数转换子模块502（ADC011）采集，最后经过微处理器501的计算即可得到负载电流值；同样的，电压经过高分压电阻（RH）和低分压电阻（RL）完成电阻分压后得到电压采集电压V2，V2被微处理器501的模数转换子模块502采集，最后经过微处理器501的计算即可得到负载电压值，得到电压和电流即可计算负载功耗。

此系统的缺点在于，如果负载电流很小或者采集电压源过低，那么V1（V2）也会很小，在ADC采集误差电压不变的情况下，采集误差占比会随着V1（V2）的变小而增大，误差占比计算可参考公式1。

误差占比（%）

（公式1），其中，

表示ADC固有采集电压误差，V1表示电流采集放大后输出电压，V2表示电压采集放大后输出电压。也即是常用功耗采集系统存在低功耗采集精度低以及采集数据不准确的问题，降低了功耗采集系统的稳定性和可靠性。

针对上述技术问题，在本申请中，图2示出了本申请实施例提供的一种功耗采集系统的电路结构示意图，如图2所示，所述功耗采集系统包括：

电流电压采样模块10、第一差分运算放大模块20、第二差分运算放大模块30、第三差分运算放大模块40和处理模块50；所述第一差分运算放大模块20和所述第三差分运算放大模块40分别与所述电流电压采样模块10连接；所述第二差分运算放大模块30与所述第一差分运算放大模块20连接；所述第二差分运算放大模块30和所述第三差分运算放大模块40还分别与所述处理模块50连接。

所述处理模块，用于在检测到所述电流采集放大后输出电压或所述电压采集放大后输出电压小于预设参考电压的情况下，通过控制所述第二差分运算放大模块对应的目标通道处于导通状态，以及控制所述第三差分运算放大模块对应的目标通道处于导通状态，获取所述第二差分运算放大模块发送的电流采集放大后输出电压，和所述第三差分运算放大模块发送的电压采集放大后输出电压，其中，所述电流采集放大后输出电压V1和所述电压采集放大后输出电压V2和所述预设参考电压匹配；

所述处理模块，还用于基于所述电流采集放大后输出电压和所述电压采集放大后输出电压确定功耗；

其中，所述电流电压采样模块，用于向所述第一差分运算放大模块提供电流采集电压，以及向所述第三差分运算放大模块提供负载电源电压；所述一差分运算放大模块用于将所述电流采集电压进行差分运算得到第一差分输出电压；所述第二差分运算放大模块用于对所述第一差分输出电压在对应的所述目标通道处于导通状态的情况下进行电压放大处理，得到所述电流采集放大后输出电压；所述第三差分运算放大模块，用于对所述负载电源电压分压后的电压进行在对应的所述目标通道处于导通状态的情况下进行电压放大处理，得到电压采集放大后输出电压。

综上所述，本申请实施例提供的功耗采集系统，所述处理模块用于在检测到所述电流采集放大后输出电压或所述电压采集放大后输出电压小于预设参考电压的情况下，通过控制所述第二差分运算放大模块对应的目标通道处于导通状态，以及控制所述第三差分运算放大模块对应的目标通道处于导通状态，获取所述第二差分运算放大模块发送的电流采集放大后输出电压，和所述第三差分运算放大模块发送的电压采集放大后输出电压，其中，所述电流采集放大后输出电压和所述电压采集放大后输出电压和所述预设参考电压匹配；可以实现功耗采集全范围内的采集精度趋于统一，低功耗场景采集精度大幅度提升；功耗采集精度提高，可信度提高，可减少研发人员测试次数，缩短研发周期。

可选的，参见图2，所述第二差分运算放大模块30包括第二差分运算放大器301、设置在所述第二差分运算放大器301负反馈端的第一电阻集合单元302；所述第一电阻集合单元302包括多个并联设置的不同阻值的负反馈电阻：所述第二差分运算放大模块30还包括和所述第一电阻集合单元302连接的第一模拟开关单元303，所述第一模拟开关单元303中包括多个第一子开关，多个所述第一子开关和所述第一电阻集合单元中的多个负反馈电阻一一对应设置；所述第二差分运算放大器301的输入端和所述第一电阻集合单元302分别与所述第一差分运算放大模块20的输出端连接，所述第一模拟开关单元303和所述第二差分运算放大器301的输出端分别与所述处理模块50连接。

所述第一模拟开关单元在接收到所述处理模块发送的电阻选通信号的情况下，控制所述电阻选通信号相应负反馈电阻对应的目标第一子开关处于导通状态，以供所述第二差分运算放大器在所述目标第一子开关处于导通状态的情况下进行电流采集电压放大，将电流采集电压放大处理完成的所述电流采集放大后输出电压发送至所述处理模块。

在本申请中，第二差分运算放大器APM2可以实现电流采集电压的放大。

其中，第一电阻集合单元302包括多个并联设置的不同阻值的负反馈电阻RF1->RFn，用于辅助第二差分运算放大器的放大倍数的自动可调。

所述第一模拟开关单元303中包括多个第一子开关，多个所述第一子开关和所述第一电阻集合单元中的多个负反馈电阻一一对应设置，在包括N个并联设置的负反馈电阻的情况下，第一模拟开关单元包括N个一一对应设置的第一子开关，也即是第一模拟开关单元的通道选择是N选1。

可选的，参见图2，所述第三差分运算放大模块40包括分压电阻单元401，以及设置在所述分压电阻单元401后端的第三差分运算放大器402、设置在所述第三差分运算放大器402负反馈端的第二电阻集合单元403；所述第二电阻集合单元403包括多个并联设置的不同阻值的负反馈电阻：所述第三差分运算放大模块40还包括和所述第二电阻集合单元403连接的第二模拟开关单元404，所述第二模拟开关单元404中包括多个第二子开关，多个所述第二子开关和所述第二电阻集合单元中的多个负反馈电阻一一对应设置；所述第三差分运算放大器402的第一输入端与所述分压电阻单元401的输出端连接，所述第三差分运算放大器402的第二输入端和所述第二电阻集合单元403的一端连接；所述第二电阻集合单元403的另一端和所述第二模拟开关单元404的一端连接；所述第二模拟开关单元404的另一端和所述第三差分运算放大器402的输出端分别与所述处理模块50连接。

所述第二模拟开关单元在接收到所述处理模块发送的电阻选通信号的情况下，控制所述电阻选通信号相应负反馈电阻对应的目标第二子开关处于导通状态，以供所述第三差分运算放大器APM3在所述目标第二子开关处于导通状态的情况下进行电压采集电压放大，将电压采集电压放大处理完成的所述电压采集放大后输出电压发送至所述处理模块。

可选的，参见图2，分压电阻单元401可以包括高分压电阻（RH）和低分压电阻（RL），第三差分运算放大器直接对RH和RL的分压值进行放大。

其中，第二电阻集合单元403包括多个并联设置的不同阻值的负反馈电阻RP1->RPm，用于辅助第三差分运算放大器的放大倍数的自动可调。

所述第二模拟开关单元中包括多个第二子开关，多个所述第二子开关和所述第二电阻集合单元中的多个负反馈电阻一一对应设置，在包括M个并联设置的负反馈电阻的情况下，第一模拟开关单元包括M个一一对应设置的第一子开关，也即是第一模拟开关单元的通道选择是M选1。

可选的，参见图2，所述第一差分运算放大模块20包括外围电阻单元、第一差分运算放大器201和后端输入电阻R5，所述外围电阻单元包括第一外围电阻R1、第二外围电阻R2、第三外围电阻R3和第四外围电阻R4；

其中，所述第一外围电阻R1的一端和所述第一差分运算放大器201的正输入端连接，另一端和所述电流电压采样模块10连接；所述第二外围电阻R2的一端和所述第一差分运算放大器201的负输入端连接，另一端和所述电流电压采样模块10连接；所述第三外围电阻R3的一端设置在所述第一外围电阻R1和所述第一差分运算放大器201之间完成连接，另一端接地；所述第四外围电阻R4的一端设置在所述第二外围电阻R2和所述第一差分运算放大器201的负输入端之间完成连接，另一端与所述第一差分运算放大器201的输出端连接；所述后端输入电阻R5的一端和所述第一差分运算放大器201的输出端连接，另一端和所述第二差分运算放大器301的负输入端连接。

在本申请中，第一外围电阻R1、第二外围电阻R2、第三外围电阻R3、第四外围电阻R4和后端输入电阻R5可以是阻值相同的电阻，本申请实施例对其具体数值不作限定。

在本申请中，第一差分运算放大器、第二差分运算放大器和第三差分运算放大器的供电电压和微处理器的供电电压要保持一致或者第一差分运算放大器、第二差分运算放大器和第三差分运算放大器的供电电压低于微处理器模数转换子模块的预设参考电压（VREF)，保证第一差分运算放大器、第二差分运算放大器和第三差分运算放大器的输出电压不超过微处理器模数转换子模块的VREF，否则有损坏的风险，此外第一差分运算放大器、第二差分运算放大器和第三差分运算放大器的最大允许输入电压要大于负载电压（Vload），保证可以正常的采集负载电压。

可选的，参见图2，所述电流电压采样模块10包括负载单元101，以及与所述负载单元101的一端连接的电流采样电阻102；所述负载单元101远离所述电流采样电阻102的一端设置有电压采样点C，所述分压电阻单元401在所述电压采样点C实现与所述负载单元101的连接，所述电流采样电阻102的两侧设置有电流采样点D，两个电流采样点D分别和所述第一差分运算放大器201输入端上的所述第一外围电阻R1和第二外围电阻R2交叉连接。

所述负载单元，用于在所述电压采样点向所述第三差分运算放大模块提供负载电源电压；

所述负载单元，用于结合所述电流采样电阻，在电流采样点向所述第一差分运算放大模块提供电流采集电压。

在本申请中，交叉第一差分运算放大器的输入端的顺序并且在外围电阻都是R的情况下，参见图2，可以实现采样电阻高侧电压（V+）和采样电阻低侧电压（V-）的差值计算。其中，公式2为输入端电压

的计算公式，计算得到输入端电压后，通过交叉第一差分运算放大器的输入端的顺序并且在外围电阻都是R的情况下，可以实现采样电阻高侧电压（V+）和采样电阻低侧电压（V-）经过第一差分运算放大器放大后得到

。

（公式2）；

其中，

表示负载电流；

表示电流采样电阻。

可选的，参见图2，所述处理模块50包括：相互电连接的微处理器501、模数转换子模块502和输入输出控制接口子模块503，所述模数转换子模块502和所述第二差分运算放大器301的输出端，以及所述第三差分运算放大器402的输出端连接；所述输入输出控制接口子模块503分别和所述第一模拟开关单元303以及所述第二模拟开关单元404连接。

所述模数转换子模块，用于获取所述第二差分运算放大模块发送的电流采集放大后输出电压，和所述第三差分运算放大模块发送的电压采集放大后输出电压；

所述输入输出控制接口子模块，用于控制所述第二差分运算放大模块对应的目标通道处于导通状态，以及控制所述第三差分运算放大模块对应的目标通道处于导通状态；

所述微处理器，用于基于所述电流采集放大后输出电压和所述电压采集放大后输出电压确定功耗。

可选的，所述微处理器，还用于在检测到所述电流采集放大后输出电压或所述电压采集放大后输出电压小于预设参考电压的情况下，通过所述输入输出控制接口子模块控制所述第二差分运算放大模块对应的目标通道处于导通状态，以及所述输入输出控制接口子模块控制所述第三差分运算放大模块对应的目标通道处于导通状态的情况下，通过所述模数转换子模块获取所述第二差分运算放大模块发送的电流采集放大后输出电压，和所述第三差分运算放大模块发送的电压采集放大后输出电压，其中，所述电流采集放大后输出电压和所述电压采集放大后输出电压和所述预设参考电压匹配。

在本申请中，预设参考电压为模数转换子模块（ADC）参考电压与最大可采集电压，本申请实施例对此不作具体限定，可以根据实际应用场景做调整。

在所述电流采集放大后输出电压V1或所述电压采集放大后输出电压V2小于预设参考电压的情况下，说明此时负载单元处于低功耗模式，电流较小，或者采集的电源域电压较低，此时根据公式（1）：

误差占比（%）

（公式1）；

其中，

表示ADC固有采集电压误差，V1表示电流采集放大后输出电压，V2表示电压采集放大后输出电压。

可知，V1与V2如果比较低，那么误差占比就会增大，要减少误差，需要提高V1与V2，V1与V2越大，误差占比就会越小，V1与V2的计算公式参考公式3和公式4。从公式3和公式4可知，要提高V1和V2，可变的参数只有RFn和RPm，通过修改RFn和RPm即可实现V1与V2值的提高。

由于预设参考电压（VREF）一般是微处理器模拟信号转数字信号模块的最大采样电压，所以V1和V2最大也只能提高到VREF，那么选择RFn和RPm时，可直接让V1与V2等于VREF去计算，可得到最合理的RFn和RPm值，具体计算根据公式3和公式4，变换后可得到RFn和RPm的计算公式5和公式6。

微处理器通过计算得到RFn和RPm后，计算值可能在实际系统中没有，此时可分别在当前设计中选择小于等于RFn与RPm值且最接近RFn与RPm值的电阻作为第二差分运算放大器和第三差分运算放大器的负反馈端电阻，并通过输入输出控制接口子模块（GPIO）控制第一模拟开关单元SW1与第二模拟开关单元SW2导通所选电阻值的模拟通道，实现把V1与V2提高到微控制器（ADC）的最大采集电压VREF附近的目的。

当把V1与V2提高到ADC的最大采集电压VREF附近时再进行采集，那么根据公式1，这个采集系统的采集误差占比也就同步降低到了最小，采集电压和采集电流的误差均实现了降低，而功耗为电压和电流的乘积，采集精度自然也就实现了提升。

（公式3）

（公式4）

（公式5）

（公式6）。

其中，所述

表示第二差分运算放大器APM2的负反馈电阻；公式（3）中的

表示APM2的反向输入端电阻；所述

表示第三差分运算放大器APM3的负反馈电阻；公式（4）中的R表示APM3的反向输入端电阻；

表示负载电压。

外围电阻单元包括至少四个相同的电阻值，外围电阻单元中的电阻最小可选择KΩ级别电阻值，保证第一差分运算放大器、第二差分运算放大器和第三差分运算放大器组成部分有较低的漏电流，RH与RL可以选择10KΩ级别以上的电阻，保证对负载电源有较小的漏电流影响。因为RH与RL分压后的电压经过第三差分运算放大器做正向放大，电压放大倍数大于1，所以RH和RL分压后的电压不能大于VREF，否则经过第三差分运算放大器放大后会大于VREF损坏微处理器，具体计算公式参考公式7，根据所采集系统的最大Vload电压，固定取值RH，再去计算RL的最大值。

（公式7）。

在本申请中，关于RFn与RPm的设计与选择：假如采集电流的范围是Imin->Imax，采集的电压范围是Vmin->Vmax，把公式2分别带入公式5和公式6，可分别计算出RFn和RPm的最大最小值，具体参考公式8、公式9、公式10、公式11进行计算。

（公式8）

（公式9）

（公式10）

（公式11）。

得到RFn最小值RFn(min)和RFn最大值RFn(max)以及RPm(min)和RPm(max)之后，最大和最小之间的阻值梯度可根据实际的电流（电压）分布来决定，例如可以按照

2的方式进行叠加，RFn(min)、2RFn(min)、4RFn(min)....RFn(max)，RPm(min)、2RPm(min)、4RPm(min)....RPm(max)。

关于第一模拟开关单元对应的目标第一子开关和第二模拟开关单元对应的目标第二子开关的选择：电源域需要匹配差分运算放大器电源域，此外通道数根据上述的方法进行选择，还需要注意的是，为了减少模拟开关的影响，需要选择低导通阻抗及低漏电流的模拟开关，可以导通电阻在10Ω以下，漏电流最大不超过nA级别；通道数越多，导通阻抗越大，此时可选择通道数少的模拟开关并联组合取代一个多通道模拟开关，可最大程度的减少导通阻抗。

可选的，在检测到所述电流采集放大后输出电压或所述电压采集放大后输出电压小于预设参考电压的情况下，所述微处理器，用于根据预存电流采集电压和负反馈电阻的对应关系确定所述第一电阻集合单元中对应的目标反馈电阻，以供所述目标反馈电阻对应的第一模拟开关中的目标开关处于导通状态；

在检测到所述电流采集放大后输出电压或所述电压采集放大后输出电压小于预设参考电压的情况下，所述微处理器，还用于根据预存电压采集电压和负反馈电阻的对应关系确定所述第二电阻集合单元中对应的目标反馈电阻，以供所述目标反馈电阻对应的第二模拟开关中的目标开关处于导通状态。

可选的，所述第一模拟开关单元和所述第二模拟开关单元的初始状态配置一个对应的子开关处于导通状态。

关于第一模拟开关单元和第二模拟开关单元的控制：模拟开关单元的控制逻辑模块电平需要匹配输入输出控制接口子模块（GPIO）的控制电平，控制每一个模拟开关的控制，控制每一个模拟开关的GPIO 数量根据器件要求选择即可。

关于微控制器（MCU）电阻选择算法：模数转换子模块（ADC）读取到V1与V2之后，根据电流采集电压和负反馈电阻的对应关系（公式3）和电压采集电压和负反馈电阻的对应关系（公式4），以及当前的默认放大倍数，计算出（V+-V-）和Vload，再代入公式5和公式6即可计算出应该选择的电阻理论值，理论值得到后，再根据实际设计中存在的电阻值，选择最接近的一个即可。

在本申请中关于系统集成实现：当MCU的ADC模块检测到V1（V2）<VREF时。此时MCU根据公式（5）和公式（6）计算后选择相应的RFn和RPm电阻值；并通过GPIO控制SW1与SW2导通所选电阻值的模拟通道，让第二差分运算放大器AMP2和第三差分运算放大器AMP3的放大倍数增加，把V1与V2提高到ADC的最大采集电压VREF附近。按照本方案所述的系统，全范围内，提高V1与V2到VREF后，根据公式1可知，电压和电流的采集误差占比会趋于统一且降到最低，即可实现功率采集系统采集精度的提升。

本申请实施例还提供一种功耗采集方法，所述功耗采集方法包括：

所述处理模块在检测到所述电流采集放大后输出电压或所述电压采集放大后输出电压小于预设参考电压的情况下，通过控制所述第二差分运算放大模块对应的目标通道处于导通状态，以及控制所述第三差分运算放大模块对应的目标通道处于导通状态，获取所述第二差分运算放大模块发送的电流采集放大后输出电压，和所述第三差分运算放大模块发送的电压采集放大后输出电压，其中，所述电流采集放大后输出电压和所述电压采集放大后输出电压和所述预设参考电压匹配；

所述处理模块基于所述电流采集放大后输出电压和所述电压采集放大后输出电压确定功耗；

其中，所述电流电压采样模块向所述第一差分运算放大模块提供电流采集电压，以及向所述第三差分运算放大模块提供负载电源电压；所述一差分运算放大模块将所述电流采集电压进行差分运算得到第一差分输出电压；所述第二差分运算放大模块对所述第一差分输出电压在对应的所述目标通道处于导通状态的情况下进行电压放大处理，得到所述电流采集放大后输出电压；所述第三差分运算放大模块对所述负载电源电压分压后的电压进行在对应的所述目标通道处于导通状态的情况下进行电压放大处理，得到电压采集放大后输出电压。

综上所述，本申请实施例提供的功耗采集方法，所述处理模块在检测到所述电流采集放大后输出电压或所述电压采集放大后输出电压小于预设参考电压的情况下，通过控制所述第二差分运算放大模块对应的目标通道处于导通状态，以及控制所述第三差分运算放大模块对应的目标通道处于导通状态，获取所述第二差分运算放大模块发送的电流采集放大后输出电压，和所述第三差分运算放大模块发送的电压采集放大后输出电压，其中，所述电流采集放大后输出电压和所述电压采集放大后输出电压和所述预设参考电压匹配；可以实现功耗采集全范围内的采集精度趋于统一，低功耗场景采集精度大幅度提升；功耗采集精度提高，可信度提高，可减少研发人员测试次数，缩短研发周期。

本申请提供的一种功耗采集方法，可以在所述图2所示的功耗采集系统上实现，为避免重复，这里不再赘述。

尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”（comprising）一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

尽管结合具体特征及其实施例对本申请进行了描述，显而易见的，在不脱离本申请的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本申请的示例性说明，且视为已覆盖本申请范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种功耗采集系统，其特征在于，所述系统包括：

电流电压采样模块、第一差分运算放大模块、第二差分运算放大模块、第三差分运算放大模块和处理模块；所述第一差分运算放大模块和所述第三差分运算放大模块分别与所述电流电压采样模块连接；所述第二差分运算放大模块与所述第一差分运算放大模块连接；所述第二差分运算放大模块和所述第三差分运算放大模块还分别与所述处理模块连接；

所述处理模块，用于在检测到所述电流采集放大后输出电压或所述电压采集放大后输出电压小于预设参考电压的情况下，通过控制所述第二差分运算放大模块对应的目标通道处于导通状态，以及控制所述第三差分运算放大模块对应的目标通道处于导通状态，获取所述第二差分运算放大模块发送的电流采集放大后输出电压，和所述第三差分运算放大模块发送的电压采集放大后输出电压，其中，所述电流采集放大后输出电压和所述电压采集放大后输出电压和所述预设参考电压匹配；

所述处理模块，还用于基于所述电流采集放大后输出电压和所述电压采集放大后输出电压确定功耗；

其中，所述电流电压采样模块，用于向所述第一差分运算放大模块提供电流采集电压，以及向所述第三差分运算放大模块提供负载电源电压；所述第一差分运算放大模块用于将所述电流采集电压进行差分运算得到第一差分输出电压；所述第二差分运算放大模块用于对所述第一差分输出电压在对应的所述目标通道处于导通状态的情况下进行电压放大处理，得到所述电流采集放大后输出电压；所述第三差分运算放大模块，用于对所述负载电源电压分压后的电压进行在对应的所述目标通道处于导通状态的情况下进行电压放大处理，得到电压采集放大后输出电压；

所述第二差分运算放大模块包括第二差分运算放大器、设置在所述第二差分运算放大器负反馈端的第一电阻集合单元；所述第一电阻集合单元包括多个并联设置的不同阻值的负反馈电阻：所述第二差分运算放大模块还包括和所述第一电阻集合单元连接的第一模拟开关单元，所述第一模拟开关单元中包括多个第一子开关，多个所述第一子开关和所述第一电阻集合单元中的多个负反馈电阻一一对应设置；所述第二差分运算放大器的输入端和所述第一电阻集合单元分别与所述第一差分运算放大模块的输出端连接，所述第一模拟开关单元和所述第二差分运算放大器的输出端分别与所述处理模块连接；

所述第一模拟开关单元在接收到所述处理模块发送的电阻选通信号的情况下，控制所述电阻选通信号相应负反馈电阻对应的目标第一子开关处于导通状态，以供所述第二差分运算放大器在所述目标第一子开关处于导通状态的情况下进行电流采集电压放大，将电流采集电压放大处理完成的所述电流采集放大后输出电压发送至所述处理模块；

所述第三差分运算放大模块包括分压电阻单元，以及设置在所述分压电阻单元后端的第三差分运算放大器、设置在所述第三差分运算放大器负反馈端的第二电阻集合单元；所述第二电阻集合单元包括多个并联设置的不同阻值的负反馈电阻：所述第三差分运算放大模块还包括和所述第二电阻集合单元连接的第二模拟开关单元，所述第二模拟开关单元中包括多个第二子开关，多个所述第二子开关和所述第二电阻集合单元中的多个负反馈电阻一一对应设置；所述第三差分运算放大器的第一输入端与所述分压电阻单元的输出端连接，所述第三差分运算放大器的第二输入端和所述第二电阻集合单元的一端连接；所述第二电阻集合单元的另一端和所述第二模拟开关单元的一端连接；所述第二模拟开关单元的另一端和所述第三差分运算放大器的输出端分别与所述处理模块连接；

所述第二模拟开关单元在接收到所述处理模块发送的电阻选通信号的情况下，控制所述电阻选通信号相应负反馈电阻对应的目标第二子开关处于导通状态，以供所述第三差分运算放大器在所述目标第二子开关处于导通状态的情况下进行电压采集电压放大，将电压采集电压放大处理完成的所述电压采集放大后输出电压发送至所述处理模块。

2.根据权利要求1所述的功耗采集系统，其特征在于，所述第一差分运算放大模块包括外围电阻单元、第一差分运算放大器和后端输入电阻，所述外围电阻单元包括第一外围电阻、第二外围电阻、第三外围电阻和第四外围电阻；

其中，所述第一外围电阻的一端和所述第一差分运算放大器的正输入端连接，另一端和所述电流电压采样模块连接；所述第二外围电阻的一端和所述第一差分运算放大器的负输入端连接，另一端和所述电流电压采样模块连接；所述第三外围电阻的一端设置在所述第一外围电阻和所述第一差分运算放大器之间完成连接，另一端接地；所述第四外围电阻的一端设置在所述第二外围电阻和所述第一差分运算放大器的负输入端之间完成连接，另一端与所述第一差分运算放大器的输出端连接；所述后端输入电阻的一端和所述第一差分运算放大器的输出端连接，另一端和所述第二差分运算放大器的负输入端连接。

3.根据权利要求2所述的功耗采集系统，其特征在于，所述电流电压采样模块包括负载单元，以及与所述负载单元的一端连接的电流采样电阻；所述负载单元远离所述电流采样电阻的一端设置有电压采样点，所述分压电阻单元在所述电压采样点实现与所述负载单元的连接，所述电流采样电阻的两侧设置有电流采样点，两个电流采样点分别和所述第一差分运算放大器输入端上的所述第一外围电阻和所述第二外围电阻交叉连接：

所述负载单元，用于在所述电压采样点向所述第三差分运算放大模块提供负载电源电压；

所述负载单元，用于结合所述电流采样电阻，在电流采样点向所述第一差分运算放大模块提供电流采集电压。

4.根据权利要求3所述的功耗采集系统，其特征在于，所述处理模块包括：相互电连接的微处理器、模数转换子模块和输入输出控制接口子模块，所述模数转换子模块和所述第二差分运算放大器的输出端，以及所述第三差分运算放大器的输出端连接；所述输入输出控制接口子模块分别和所述第一模拟开关单元以及所述第二模拟开关单元连接；

所述模数转换子模块，用于获取所述第二差分运算放大模块发送的电流采集放大后输出电压，和所述第三差分运算放大模块发送的电压采集放大后输出电压；

所述输入输出控制接口子模块，用于控制所述第二差分运算放大模块对应的目标通道处于导通状态，以及控制所述第三差分运算放大模块对应的目标通道处于导通状态；

所述微处理器，用于基于所述电流采集放大后输出电压和所述电压采集放大后输出电压确定功耗。

5.根据权利要求4所述的功耗采集系统，其特征在于，所述微处理器，还用于在检测到所述电流采集放大后输出电压或所述电压采集放大后输出电压小于预设参考电压的情况下，通过所述输入输出控制接口子模块控制所述第二差分运算放大模块对应的目标通道处于导通状态，以及所述输入输出控制接口子模块控制所述第三差分运算放大模块对应的目标通道处于导通状态的情况下，通过所述模数转换子模块获取所述第二差分运算放大模块发送的电流采集放大后输出电压，和所述第三差分运算放大模块发送的电压采集放大后输出电压，其中，所述电流采集放大后输出电压和所述电压采集放大后输出电压和所述预设参考电压匹配。

6.根据权利要求5所述的功耗采集系统，其特征在于，在检测到所述电流采集放大后输出电压或所述电压采集放大后输出电压小于预设参考电压的情况下，所述微处理器，用于根据预存电流采集电压和负反馈电阻的对应关系确定所述第一电阻集合单元中对应的目标反馈电阻，以供所述目标反馈电阻对应的第一模拟开关中的目标开关处于导通状态；

在检测到所述电流采集放大后输出电压或所述电压采集放大后输出电压小于预设参考电压的情况下，所述微处理器，还用于根据预存电压采集电压和负反馈电阻的对应关系确定所述第二电阻集合单元中对应的目标反馈电阻，以供所述目标反馈电阻对应的第二模拟开关中的目标开关处于导通状态。

7.根据权利要求4所述的功耗采集系统，其特征在于，所述第一模拟开关单元和所述第二模拟开关单元的初始状态配置一个对应的子开关处于导通状态。

8.一种功耗采集方法，其特征在于，应用于权利要求1-7任一所述的功耗采集系统中，所述方法包括：

所述处理模块在检测到所述电流采集放大后输出电压或所述电压采集放大后输出电压小于预设参考电压的情况下，通过控制所述第二差分运算放大模块对应的目标通道处于导通状态，以及控制所述第三差分运算放大模块对应的目标通道处于导通状态，获取所述第二差分运算放大模块发送的电流采集放大后输出电压，和所述第三差分运算放大模块发送的电压采集放大后输出电压，其中，所述电流采集放大后输出电压和所述电压采集放大后输出电压和所述预设参考电压匹配；

所述处理模块基于所述电流采集放大后输出电压和所述电压采集放大后输出电压确定功耗；

其中，所述电流电压采样模块向所述第一差分运算放大模块提供电流采集电压，以及向所述第三差分运算放大模块提供负载电源电压；所述一差分运算放大模块将所述电流采集电压进行差分运算得到第一差分输出电压；所述第二差分运算放大模块对所述第一差分输出电压在对应的所述目标通道处于导通状态的情况下进行电压放大处理，得到所述电流采集放大后输出电压；所述第三差分运算放大模块对所述负载电源电压分压后的电压进行在对应的所述目标通道处于导通状态的情况下进行电压放大处理，得到电压采集放大后输出电压。

Images