CN114280360A - 电流测量电路及电流测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电流测量电路，包括：高、中、低档位电流测量模块，分别通过高、中、低档位采样电阻将待测电路电源输入的电流转换为电压信号并进行运算放大，高档位采样电阻与待测电路电源输入连接；中、低档位开关切换模块，分别控制中、低档位电流测量模块的开启与关断；模数转换模块，与高、中、低档位电流测量模块连接，将经过运算放大后的电压模拟信号转换为电压数字信号发送至微控制单元；微控制单元，与高、中、低档位电流测量模块连接并对其进行运放增益控制；并与中、低档位开关切换模块连接，控制其开启与关断；且与上位机连接，将模数转换模块发送来的电压数字信号上传至上位机，以使上位机根据电压数字信号计算出待测电路的电流值。
Description
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种电流测量电路及电流测量方法。
背景技术
随着芯片及电子产品技术的发展，怎样做到在提升产品性能的同时降低功耗，保证产品的续航，成为了各大芯片及整机厂商重点关注的问题。目前，各类芯片模组及整机在不同工作模式下的功耗一般为nA-A的电流范围：工作模式(mA或A级别)、待机模式(uA级别)、休眠模式(uA或nA级别)。这些不同的功耗场景，要求必须有相应的设备及测量方案可实现nA-A级别电流的测量。
目前，行业内nA或uA级别小电流的测量，常见的有以下几种测量方法：
1、使用精密仪器仪表进行测量。这类精密仪器仪表通常体积较大导致便携性差，成本较高，操作难度大导致测量效率低，而且不可移植。
2、使用一些电流测量模块产品。此类产品需手动设置电流档位，电流测量范围窄(一般为nA-mA)，且安全性不够，对被测量产品的干扰过大(当设定好一个档位，若测量过程出现较大的电流波动，缺乏有效的硬件关断措施，导致电路压降过大造成被测产品工作不稳定，或者超出采样电阻最大功率，造成测量电路损坏)。
因此，目前的小电流测量方案无法满足芯片及芯片模组的动态测量需求。
发明内容
本发明提供的电流测量电路和电流测量方法，具有低成本、高精度、大量程、可移植性、对被测电路及产品干扰小、测量自动化的特点，能够满足芯片及芯片模组产品在大量出货前的功耗测试，确保产品质量的同时，降低测试费用，提升测试效率。
第一方面，本发明提供一种电流测量电路，所述电流测量电路包括：
高档位电流测量模块、中档位电流测量模块和低档位电流测量模块，分别通过高档位采样电阻、中档位采样电阻和低档位采样电阻将待测电路电源输入的电流转换为电压信号并进行运算放大，其中，所述高档位采样电阻、中档位采样电阻和低档位采样电阻相串联，所述高档位采样电阻与待测电路电源输入连接；
中档位开关切换模块和低档位开关切换模块，分别控制中档位电流测量模块和低档位电流测量模块的开启与关断；
模数转换模块，与所述高档位电流测量模块、中档位电流测量模块和低档位电流测量模块连接，将经过运算放大后的电压模拟信号转换为电压数字信号发送至微控制单元；
微控制单元，与高档位电流测量模块、中档位电流测量模块和低档位电流测量模块连接，通过控制信号对高档位电流测量模块、中档位电流测量模块和低档位电流测量模块进行运放增益控制；并与中档位开关切换模块和低档位开关切换模块连接，通过控制信号控制中档位开关切换模块和低档位开关切换模块的开启与关断；且与上位机连接，将所述模数转换模块发送来的电压数字信号上传至上位机，以使上位机根据所述电压数字信号计算出待测电路的电流值。
可选地，所述电流测量电路还包括中档位和低档位过流保护模块，所述过流保护模块包括数模转换器DAC以及第一比较器和第二比较器；
其中，DAC接收微控制单元设定的中档位关断触发比较阈值和低档位关断触发比较阈值并分别输出至第一比较器和第二比较器，当第一比较器判定经过高档位电流测量模块进行增益放大后的电压大于中档位关断触发比较阈值时，第一比较器输出高电平，控制中档位开关切换模块关断中档位通路；当第二比较器判定经过中档位电流测量模块进行增益放大后的电压大于低档位关断触发比较阈值时，第二比较器输出高电平，控制低档位开关切换模块关断低档位通路。
可选地，所述高档位电流测量模块、中档位电流测量模块和低档位电流测量模块分别包括2级运算放大电路：第1级运算放大电路包括两颗运放器件，通过电阻匹配设定为固定增益，第2级运算放大电路为增益可程控的仪表放大器。
可选地，所述第1级运算放大电路的输入电压为待测电路电源，所述第2级运算放大电路的运放增益由微控制单元通过两个控制信号进行控制。
可选地，所述第2级运算放大电路的运放增益可实现1、10、100和1000的放大倍数切换。
可选地，所述高档位电流测量模块的测量范围为1mA-2A、所述中档位电流测量模块的测量范围为1uA-999uA，所述低档位电流测量模块的测量范围为1nA-999。
可选地，所述模数转换模块的分辨率为20bits或24bits位数。
第二方面，本发明提供一种采用上述电流测量电路进行电流测量的电流测量方法，所述方法包括：
将所述电流测量电路接入待测电路，将微控制单元接入上位机；
上位机通过微控制单元依次从高到低判断待测电路的电流值处于哪个电流档位区间；
确定对应的电流档位区间后，获取预定时间内的多个电流值，对所述多个电流值求取平均值，作为待测电路的电流值。
可选地，所述上位机通过微控制单元依次从高到低判断待测电路的电流值处于哪个电流档位区间包括：
根据高档位电流测量模块测量得到的电压计算出待测电路的电流；
若电流值小于高档位电流测量模块的测量范围的下限，则判定待测电路的电流值处于中档位区间，开启中档位电流测量模块进行电流测量；
根据中档位电流测量模块测量得到的电压计算出待测电路的电流；
若电流值小于中档位电流测量模块的测量范围的下限，则判定待测电路的电流值处于低档位区间，开启低档位电流测量模块进行电流测量；
根据低档位电流测量模块测量得到的电压计算出待测电路的电流。
可选地，所述确定对应的电流档位区间后，获取预定时间内的多个电流值，对所述多个电流值求取平均值，作为待测电路的电流值包括：
确定对应的电流档位区间后，获取预定时间内该档位对应的电流测量模块进行增益放大后测量得到的多个电压值，并计算电压平均值；
根据所述电压平均值、该档位对应的电流测量模块中的采样电阻和增益放大倍数，计算出待测电路的电流值。
本发明提供的电流测量电路及电流测量方法，以IV转换、运算放大以及模数转换技术为基础，通过采样电阻将待测电路中nA-A的电流转换为电压信号，微小电压信号经过运算放大后，经ADC进行模数转换后以数字信号的形式传输给微控制器，以实现待测电路电流信号的测量。具有低成本、高精度、大量程、可移植性、对被测电路及产品干扰小、测量自动化的特点，可制成独立的测试装置，或集成在其他测试设备；采样电阻串联设计使得测试电路在进行档位切换时，始终保证电路的导通性；而且能够满足芯片及芯片模组产品在大量出货前的功耗测试，确保产品质量的同时，降低测试费用，提升测试效率。在电流测量过程中，通过判断待测电路中的电流值自动进行档位切换，信号放大器增益设置，测试数据采集传输计算等流程实现全自动。
附图说明
图1为本发明实施例提供的电流测量电路的结构框图；
图2为本发明实施例提供的过流保护模块的原理框图；
图3为本发明实施例提供的电流测量模块中运算放大的电路原理图；
图4为本发明实施例提供的低档位电流测量模块中运算放大的电路仿真图；
图5为本发明实施例提供的基于图1所示电流测量电路的电流测量方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种电流测量电路，如图1所示，所述电流测量电路包括：高档位电流测量模块1(测量范围：1mA-2A)、中档位电流测量模块2(测量范围：1uA-999uA)、低档位电流测量模块3(测量范围：1nA-999nA)、ADC(模数转换)模块4、MCU(微控制单元)5、中档位开关切换模块6、低档位开关切换模块7、高档位采样电阻R1、中档位采样电阻R2、低档位采样电阻R3、待测电路电源输入POWER_IN、待测电路电源输出POWER_OUT接口以及IO_1-8、A-G等信号或通讯接口；
ADC模块4的输入端电压＝I*R*G(范围-VREF至+VREF)，ADC模块4的分辨率需远小于最小单位电流对应的电压值。例如：I＝1uA，R＝5Ω，G＝100，则最小电流单位对应的电压值为500uV，为尽量消除ADC的精度对测量结果造成的影响，ADC的分辨率约为最小电流单位对应电压值的1％，因此，ADC模块4选取20bits或24bits位数的ADC；
MCU 5可通过常用的USB、串口等接口形式与上位机进行通讯；
中档位开关切换模块6和低档位开关切换模块7选用继电器器件，可承载更大的导通电流以及更小的导通电阻；
A、B、C分别为高、中、低档位电流经IV(CURRENT TO Voltage，电流至电压)转换放大后输出至ADC模块4的电压模拟信号；
IO_1-6两个信号为一组，分别为高、中、低档位运放增益控制信号；
IO7、IO8分别为中档位、低档位开关切换控制信号。
进一步地，所述电流测量电路还包括中档位和低档位过流保护模块8，如图1和图2所示，D为中档位过流保护监测信号；E为低档位过流保护监测信号；F为中档位关断控制信号(只控制关断)；G为低档位关断控制信号(只控制关断)；I为DAC与控制器之间的通讯接口，控制器通过该接口设定DAC输出的中档位关断触发比较阈值DAC_OUT1以及低档位关断触发比较阈值DAC_OUT2，当D＞DAC_OUT1时，比较器1输出F(高电平)，控制中档位开关切换模块6关断中档位通路；当E＞DAC_OUT2时，比较器2输出G(高电平)，控制低档位开关切换模块7关断低档位通路。
其中，如图3所示，三个高、中、低档位电流测量模块分别包括2级运算放大电路：R6为采样电阻，U1、U2、R1、R2、R3组成第1级运算放大电路，G1＝1+2R2/R1(R2＝R3)，通过电阻匹配设定为固定增益；U3为第2级运算放大电路，选用增益可程控的仪表放大器，运放增益由A0、A1信号控制，可实现G＝1、10、100、1000放大倍数切换；Voltage_P、Voltage_N为一组电压检测信号；
在高档位电流测量模块1中：测量范围为1mA-2A、R6＝0.05Ω、R1＝50Ω、R2＝R3＝500Ω；
在中档位电流测量模块2中：测量范围为1uA-999uA、R6＝5Ω、R1＝0.5Ω、R2＝R3＝50Ω；
在低档位电流测量模块3中：测量范围为1nA-999nA、R6＝5KΩ、R1＝0.5Ω、R2＝R3＝50Ω；
电源：V1、V2为U1、U2的V+、V-电源；V3、V4为U3的V+、V-电源；V5为待测电源，V5小于V1；V6为U3的VREF电源。
为了提升测量精度，三个高、中、低档位电流测量模块中的运算放大器具有极低的失调电压(1uA左右)、电流(PA级别)、高PSRR(Power Supply Rejection Ratio，电源抑制比)、高CMRR(Common Mode Rejection Ratio，共模抑制比)、高增益、低噪声等；同时为了提供更大测试电压输入范围，运放的输入电压范围较高(15V)。
如图4所示，为低档位电流测量模块3的电路仿真图，测量通路中电流为1.0124988nA，经2级运算放大后输出电压值为94.066984mV。G1＝201、G2＝100、R6＝5KΩ，由此可以计算出测量电流：
0.094066984/100/201/5000*1000000000≈0.936nA
由仿真结果可看出，测量最小电流1nA时精度能达到1nA±0.1nA。
下面对图1所示的电流测量电路的工作原理进行详细说明。
如图1所示，高档位电流测量模块1始终开启，来自POWER_IN的电流由高档位采样电阻R1流入，经由中档位开关切换模块6和低档位开关切换模块7，由POWER_OUT流出，此时，只有高档位电流测量模块1工作，高档位电流测量模块1通过R1将来自待测电路电源输入POWER_IN的电流转换为电压信号并进行运算放大，其中，MCU 5通过IO_1-2控制高档位电流测量模块1中的运放增益，经过运算放大后的电压信号A经ADC模块4进行模数转换后以数字信号的形式传输给MCU 5，MCU 5根据该数字信号计算出电流值；
若MCU 5计算出的电流值小于1mA时，通过IO_7控制中档位开关切换模块6开启，此时，来自POWER_IN的电流由R1流入，经由中档位采样电阻R2和低档位开关切换模块7，由POWER_OUT流出，此时，高档位电流测量模块1和中档位电流测量模块2同时工作，中档位电流测量模块2通过R2将来自待测电路电源输入POWER_IN的电流转换为电压信号并进行运算放大，其中，MCU 5通过IO_3-4控制中档位电流测量模块2中的运放增益，经过运算放大后的电压信号A和B分别经ADC模块4进行模数转换后以数字信号的形式传输给MCU 5，MCU 5根据电压信号B转换后得到的数字信号计算出平均电压值，并计算得出对应的电流值；
若MCU 5计算出的电流值小于1uA时，通过IO_8控制低档位开关切换模块7开启，此时，来自POWER_IN的电流由R1流入，经由中档位采样电阻R2和低档位采样电阻R3，由POWER_OUT流出，此时，高档位电流测量模块1、中档位电流测量模块2和低档位电流测量模块3同时工作，低档位电流测量模块3通过R3将来自待测电路电源输入POWER_IN的电流转换为电压信号并进行运算放大，其中，MCU 5通过IO_5-6控制低档位电流测量模块3中的运放增益，经过运算放大后的电压信号A、B和C分别经ADC模块4进行模数转换后以数字信号的形式传输给MCU 5，MCU 5根据电压信号C转换后得到的数字信号计算出平均电压值，并计算得出对应的电流值。
本发明实施例提供的电流测量电路，以IV转换、运算放大以及模数转换技术为基础，通过采样电阻将待测电路中nA-A的电流转换为电压信号，微小电压信号经过运算放大后，经ADC进行模数转换后以数字信号的形式传输给微控制器，以实现待测电路电流信号的测量。具有低成本、高精度、大量程、可移植性、对被测电路及产品干扰小、测量自动化的特点，可制成独立的测试装置，或集成在其他测试设备；采样电阻串联设计使得测试电路在进行档位切换时，始终保证电路的导通性；而且能够满足芯片及芯片模组产品在大量出货前的功耗测试，确保产品质量的同时，降低测试费用，提升测试效率。另外，高、中、低合适的采样电阻选择以及电流硬件监测装置对档位的切换控制，确保测量电路中电阻对被测产品工作电压造成的衰减<2％，以确保被测产品稳定工作。
进一步地，在高档位电流测量模块1和中档位电流测量模块2同时工作，或者高档位电流测量模块1、中档位电流测量模块2和低档位电流测量模块3同时工作时，过流保护模块8工作，MCU 5通过接口I设定过流保护模块8中DAC的输出，DAC_OUT1为中档位关断触发比较阈值，DAC_OUT2为低档位关断触发比较阈值；比较器1将由高档位电流测量模块1输出的电压信号D与DAC_OUT1进行比较，若D＞DAC_OUT1时，比较器1输出F(高电平)，进而控制中档位开关切换模块6关断中档位电路测量通路；比较器2将由中档位电流测量模块2输出的电压信号E与DAC_OUT2进行比较，若E＞DAC_OUT2时，比较器1输出G(高电平)，进而控制低档位开关切换模块7关断低档位电路测量通路。
从而，利用过流保护模块8这一硬件电路进行实时电流监测，可在电流值超出当前档位上限时，通过硬件电路控制继电器关断该档位，实现硬件防护，相比软件监测控制的方式来说，更加实时和可靠。
本发明实施例还提供一种电流测量方法，将图1所示的电流测量电路接入待测电路，将MCU接入上位机，上位机启动自动测量流程，通过MCU依次从高到低判断当前待测电路的电流值处于哪个电流档位区间，确定对应的电流档位区间后，获取预定时间内的多个电流值，对所述多个电流值求取平均值，作为待测电路的电流值。
如图5所示，所述电流测量方法具体包括如下步骤：
S501、始终开启高档位电流测量模块1，默认其中第2级运算放大电路的运放增益为1。
S502、读出ADC模块4采出的平均电压值。
S503、判断电流值是否小于0.2A，若是，则执行步骤S504；否则执行步骤S526。
S504、高档位电流测量模块1工作，设定其中第2级运算放大电路的运放增益为10。
S505、读出ADC模块4采出的平均电压值。
S506、判断电流值是否小于20mA，若是，则执行步骤S507；否则执行步骤S526。
S507、高档位电流测量模块1工作，设定其中第2级运算放大电路的运放增益为100。
S508、读出ADC模块4采出的平均电压值。
S509、判断电流值是否小于1mA，若是，则执行步骤S510；否则执行步骤S526。
S510、开启中档位电流测量模块2，设定其中第2级运算放大电路的运放增益为1。
S511、读出ADC模块4采出的平均电压值。
S512、判断电流值是否小于200uA，若是，则执行步骤S513；否则执行步骤S526。
S513、中档位电流测量模块2工作，设定其中第2级运算放大电路的运放增益为10。
S514、读出ADC模块4采出的平均电压值。
S515、判断电流值是否小于20uA，若是，则执行步骤S516；否则执行步骤S526。
S516、中档位电流测量模块2工作，设定其中第2级运算放大电路的运放增益为100。
S517、读出ADC模块4采出的平均电压值。
S518、判断电流值是否小于1uA，若是，则执行步骤S519；否则执行步骤S526。
S519、开启低档位电流测量模块3，设定其中第2级运算放大电路的运放增益为1。
S520、读出ADC模块4采出的平均电压值。
S521、判断电流值是否小于200nA，若是，则执行步骤S522；否则执行步骤S526。
S522、低档位电流测量模块3工作，设定其中第2级运算放大电路的运放增益为10。
S523、读出ADC模块4采出的平均电压值。
S524、判断电流值是否小于20nA，若是，则执行步骤S525；否则执行步骤S526。
S525、低档位电流测量模块3工作，设定其中第2级运算放大电路的运放增益为100。
S526、选择此档位进行电流测量。
S527、读出ADC模块4输出的平均电压值，从0开始计数。
S528、将所读出的ADC模块4采出的平均电压值进行累加，计数值加1。
S529、判断计数值是否小于预设值sample_len，若是，则返回执行步骤S527-S528，否则执行步骤S530。
S530、对上述平均电压值进行累加后得到的累加值计算平均值，得到电压平均值。
S531、根据所述电压平均值、采样电阻、放大倍数转化为电流值。
本发明实施例提供的电流测量方法，通过MCU依次从高到低判断当前待测电路的电流值处于哪个电流档位区间，确定对应的电流档位区间后，获取预定时间内的多个电流值，对所述多个电流值求取平均值，作为待测电路的电流值；在电流测量过程中，通过判断待测电路中的电流值自动进行档位切换，信号放大器增益设置，测试数据采集传输计算等流程实现全自动。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种电流测量电路，其特征在于，所述电流测量电路包括：
高档位电流测量模块、中档位电流测量模块和低档位电流测量模块，分别通过高档位采样电阻、中档位采样电阻和低档位采样电阻将待测电路电源输入的电流转换为电压信号并进行运算放大，其中，所述高档位采样电阻、中档位采样电阻和低档位采样电阻相串联，所述高档位采样电阻与待测电路电源输入连接；
中档位开关切换模块和低档位开关切换模块，分别控制中档位电流测量模块和低档位电流测量模块的开启与关断；
模数转换模块，与所述高档位电流测量模块、中档位电流测量模块和低档位电流测量模块连接，将经过运算放大后的电压模拟信号转换为电压数字信号发送至微控制单元；
微控制单元，与高档位电流测量模块、中档位电流测量模块和低档位电流测量模块连接，通过控制信号对高档位电流测量模块、中档位电流测量模块和低档位电流测量模块进行运放增益控制；并与中档位开关切换模块和低档位开关切换模块连接，通过控制信号控制中档位开关切换模块和低档位开关切换模块的开启与关断；且与上位机连接，将所述模数转换模块发送来的电压数字信号上传至上位机，以使上位机根据所述电压数字信号计算出待测电路的电流值。
2.根据权利要求1所述的电流测量电路，其特征在于，所述电流测量电路还包括中档位和低档位过流保护模块，所述过流保护模块包括数模转换器DAC以及第一比较器和第二比较器；
其中，DAC接收微控制单元设定的中档位关断触发比较阈值和低档位关断触发比较阈值并分别输出至第一比较器和第二比较器，当第一比较器判定经过高档位电流测量模块进行增益放大后的电压大于中档位关断触发比较阈值时，第一比较器输出高电平，控制中档位开关切换模块关断中档位通路；当第二比较器判定经过中档位电流测量模块进行增益放大后的电压大于低档位关断触发比较阈值时，第二比较器输出高电平，控制低档位开关切换模块关断低档位通路。
3.根据权利要求1或2所述的电流测量电路，其特征在于，所述高档位电流测量模块、中档位电流测量模块和低档位电流测量模块分别包括2级运算放大电路：第1级运算放大电路包括两颗运放器件，通过电阻匹配设定为固定增益，第2级运算放大电路为增益可程控的仪表放大器。
4.根据权利要求3所述的电流测量电路，其特征在于，所述第1级运算放大电路的输入电压为待测电路电源，所述第2级运算放大电路的运放增益由微控制单元通过两个控制信号进行控制。
5.根据权利要求4所述的电流测量电路，其特征在于，所述第2级运算放大电路的运放增益可实现1、10、100和1000的放大倍数切换。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电流测量电路，其特征在于，所述高档位电流测量模块的测量范围为1mA-2A、所述中档位电流测量模块的测量范围为1uA-999uA，所述低档位电流测量模块的测量范围为1nA-999。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的电流测量电路，其特征在于，所述模数转换模块的分辨率为20bits或24bits位数。
8.一种采用权利要求1至7中任一项所述的电流测量电路进行电流测量的电流测量方法，其特征在于，所述方法包括：
将所述电流测量电路接入待测电路，将微控制单元接入上位机；
上位机通过微控制单元依次从高到低判断待测电路的电流值处于哪个电流档位区间；
确定对应的电流档位区间后，获取预定时间内的多个电流值，对所述多个电流值求取平均值，作为待测电路的电流值。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述上位机通过微控制单元依次从高到低判断待测电路的电流值处于哪个电流档位区间包括：
根据高档位电流测量模块测量得到的电压计算出待测电路的电流；
若电流值小于高档位电流测量模块的测量范围的下限，则判定待测电路的电流值处于中档位区间，开启中档位电流测量模块进行电流测量；
根据中档位电流测量模块测量得到的电压计算出待测电路的电流；
若电流值小于中档位电流测量模块的测量范围的下限，则判定待测电路的电流值处于低档位区间，开启低档位电流测量模块进行电流测量；
根据低档位电流测量模块测量得到的电压计算出待测电路的电流。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述确定对应的电流档位区间后，获取预定时间内的多个电流值，对所述多个电流值求取平均值，作为待测电路的电流值包括：
确定对应的电流档位区间后，获取预定时间内该档位对应的电流测量模块进行增益放大后测量得到的多个电压值，并计算电压平均值；
根据所述电压平均值、该档位对应的电流测量模块中的采样电阻和增益放大倍数，计算出待测电路的电流值。
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| CN202111615158.6A CN114280360A (zh) | 2021-12-24 | 2021-12-24 | 电流测量电路及电流测量方法 |
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