引言

盡管幾乎每一名電源工程師都清楚地知道和理解效率測量的實驗室裝置，但在通過超低靜態(tài)電流 （IQ） 測量某個器件的效率時，還是有許多我們必須考慮到的重要細節(jié)。對于一個消耗電流小于1μA的器件來說，電路的電流非常小，很難測量到。這些測量可能相當于計算得到的輕載效率，其遠低于各種產(chǎn)品說明書的標稱值，同時也低于在實際應用中所看到的情況。本文將回顧效率測量的基礎，討論超低IQ器件輕負載效率測量過程中常見的一些錯誤，并說明如何克服這些錯誤，從而順利地獲得精確的效率測量結果。

效率測量基礎

參考文獻1詳細說明了通過節(jié)能或者脈沖頻率調制（PFM） 模式精確測量某個器件的效率的最理想裝置。該參考為本文涉及的話題提供了一個很好的基礎，讀者應首先閱讀。一般而言，特別是在本文中，效率的定義如下：

下面總結了參考文獻1中的兩個重點。第一點是，所有節(jié)能模式都會從輸入電源吸取相對較大的電流脈沖。這些電流脈沖是來自輸入的AC電流。始終工作在連續(xù)導電或者脈寬調制 （PWM） 模式下的器件從輸入電源吸取DC電流。與PWM模式下吸取的DC電流不同，節(jié)能模式的電流脈沖在輸入電流計中形成一個錯誤RMS電流讀取值。因此，在節(jié)能模式下測量效率的正確測試裝置包括輸入電流計之后的充足輸入電容，目的是消除PFM模式吸取的AC電流，最終給電流計呈現(xiàn)DC電流。

參考文獻1中的第二個重點是，伏特計相對于電流計的放置問題。在效率計算過程中，嚴禁把電流計的-壓降包括在內，這一點在PFM和PWM模式下都至關重要。因此，每個伏特計都應連接至PCB的輸入和輸出電壓（理想情況下，在大多數(shù)評估組件的S+/S–頭上）。這樣便可使輸入電流計遠離該電路，讓輸出電流計成為負載的一部分。圖1顯示了這種布局方法以及建議的測量裝置，以對PFM模式效率進行最為精確的測量。

超低IQ器件效率測量的裝置問題

超低IQ器件應特別考慮其效率測量裝置。為了簡單起見，超低IQ可取近似值為約10 μA 以下。低于這一水平時，一個或者兩個伏特計吸取的輸入電流以及附加輸入電容的漏電流，會明顯影響所測得的輸入電流，從而影響計算得到的輕負載效率。請注意，如果使用更高漏電流的設備，則這些問題還會關系到更高IQ的器件。參考文獻2詳細說明了IQ。

輸入伏特計的輸入電阻

在圖1所示測試裝置中，兩個伏特計都有一些有限輸入電阻。例如，標準手持式電池供電型弗盧克 （Fluke） 數(shù)字萬用表（DMM）具有約10M.的輸入電阻。盡管這看似非常大，并且似乎不可能影響效率測量，但在對一個非常常見的3.6V輸入電壓進行測量時計算它吸取的電流大小后，我們便可知道答案。在這種情況下，當對DMM終端（電阻）施加3.6V電壓時，0.36μA電流流入該表。它是360 nA的漏電流，其直接從運用于器件的輸入電壓吸取，并流經(jīng)輸入電流計。把輸入伏特計連接該電路，可增加輸入電流360nA 如果受測器件的IQ為20-μA，則這個360 nA小于2%輸入電流，不是非常明顯。但是，如果測試的是360-nA IQ降壓轉換器（例如：TI TPS62740 等），則伏特計吸取的該額外電流會高達輸入電流的一半。這會導致非常大的效率測量差異。

輸出伏特計的額外負載電流

在輸出端連接的伏特計具有相同的表現(xiàn)。它吸取一些未測作負載電流的額外（漏）電流。在效率計算過程中，該漏電流并未包括在分數(shù)分子中。輸出伏特計構成一個額外負載，吸取額外（以及受測）輸入電流。由于這種額外未測負載電流形成高輸入電流，因此測得效率低于實際效率。

額外輸入電容的高漏電流

最后，用于消除輸入電流的附加輸入電容，可能會有足夠高的漏電流，從而從輸入吸取大量的電流。例如，一些高電容電容的最大漏電流達到數(shù)百微安級別。這種漏電流可能承時間而變化，因此在進行任何效率測試以前都應對其進行檢查。如果過高，這種額外電流肯定會干擾效率計算。

測量裝置問題的解決方案

上述3個測量裝置問題，都有一些簡單的解決方案。但是，最重要的一點是，知道用于獲得效率數(shù)據(jù)的裝置反而會引起效率數(shù)據(jù)的不準確。在輕負載狀態(tài)下更是如此，因為其電流非常小，很難測量。

克服輸入伏特計輸入電阻效應

處理輸入伏特計電流泄露問題的方法有3種：（1）斷開伏特計；（2）在不同位置連接它；（3）對流入它的電流進行補償。第一種也是最簡單的方法是，正常連接伏特計，并通過它記錄下輸入電壓，然后在記錄輸入電流以前將其與輸入端斷開。這樣，便可以在不增加輸入電流的情況下，準確地測量輸入電壓。這種方法使用了最小測量誤差。從輸入電源顯示器（通常未經(jīng)過校準）讀取輸入電壓，然后把讀取的值用于效率計算，這種方法并不可取。相反，我們應該使用一種高質量、高精度的伏特計來測量EVM 的輸入電壓。這樣做可以克服輸入電源和EVM 之間線路和連接的小壓降。

解決漏電流問題的第二種方法是，在不同位置連接輸入伏特計。特別是，伏特計的正極引線可連接至輸入電流計的正極端，同時伏特計的接地引線仍然與之前一樣連接至相同位置（EVM上的S-頭）。使用這種-方法，輸入伏特計不吸取任何受測電流，因此也就不影響效率計算。這種方法的缺點是，沒有考慮到輸入電流計的壓降。但是，在非常輕的負載狀態(tài)下，這種壓降通常并不明顯。為了最小化更大負載下出現(xiàn)的這種誤差，一旦受測輸入電流是伏特計漏電流的約100 倍時，我們便可以把輸入伏特計移至其初始位置（在輸入電流計之后）。這樣便可實現(xiàn)一種簡單的測量裝置，在整個測試過程中，其輸入伏特計保持連接，并且誤差測量得到最小化。

處理輸入伏特計漏電流的第三種方法是，使用一個附-加電流計測量流經(jīng)它的電流（請參見圖2）。用測得-輸入電流減去流經(jīng)這個新加電流計的電流。所得結果用于計算效率。這是處理輸入伏特計漏電流的最準確方法。計算得到的效率高度準確，因為輸入伏特計仍然保持連接（應貫穿整個測試過程）。另外，假設-在整個測試過程，輸入電壓未明顯變化，則漏電流也保持非常恒定。這樣，便可在給定輸入電壓情況下進行單次漏電流測量，并且該值可用于效率測試的所有數(shù)據(jù)點。換句話說，無需為所有測量點都記錄該附加萬用表的數(shù)據(jù)。

克服輸出伏特計的額外負載電流

使用與輸入伏特計相同的這三種方法，也可以處理輸出伏特計的漏電流問題。第一種方法（斷開輸出伏特計）的使用完全相同—正常連接伏特計，讀取輸出電壓，然后斷開它，并讀取輸入電流。第二種方法（在-不同位置連接伏特計）對于輸出電壓稍有不同。使用這種方法時，輸出伏特計應在輸出電流計之后連接，這樣它的電流加上負載電流，便是總輸出電流。一旦負載電流是輸出伏特計漏電流的約100 倍，則可把伏特計移回其位于S+/S–頭的正常位置。第三種方法（對伏特計吸取電流進行補償）的使用與輸入伏特計相同。注意，使用這種方法時，用于繪制效率數(shù)據(jù)圖的負載電流應為負載的電流與輸出伏特計漏電流之和。如若不考慮這一點，負載電流軸上的效率曲線圖可能會稍有偏差。

當然，消除伏特計漏電流所帶來誤差的最佳方法是使用漏電流極低的伏特計。例如，TPS62740 產(chǎn)品說明書中的效率數(shù)據(jù)便是使用安捷倫公司（Agilent）34410A 萬用表測量獲得，其10-G.輸入電阻設置用于電壓測量，它產(chǎn)生的漏電流可以忽略不計，不會影響效率計算。

額外輸入電容漏電流的最小化

最后，通過選擇正確的降壓輸入電容，輸入電容的漏電流問題可得到最大的緩解。X5R或者X7R介電陶瓷電容及其固有的低漏電流特性，適于測量超低功率效率，因為這些電容中使用的陶瓷技術帶來最低的漏電流。如果電壓對于陶瓷電容過高，則應使用低漏電流聚合物或者鉭電容。查看所選電容的產(chǎn)品說明書，以確定其漏電流是否會引起測量誤差，這一點很重要。另外，對效率測試中使用的實際電容的漏電流進行測量也很重要。

效率測量裝置的測試結果

圖3比較了使用TPS62740EVM-186 評估模塊的幾種不同測試裝置的測得效率。我們使用了一個100-μF 陶瓷降壓輸入電容的正確測試裝置，并對進入輸入和輸出伏特計的漏電流進行補償。該降壓輸入電容足以產(chǎn)生準確的結果，正如DC輸入電流所證明的那樣。如果使用阻抗更大、更長的輸入電源連線，則輸入電流形狀可能會變得更為正弦。這會產(chǎn)生不準確的輸入電流讀取值，顯示需要更多大容量輸入電容才能實現(xiàn)準確的測量。

圖3還顯示了三種錯誤測試裝置的測試結果：未考慮輸入伏特計漏電流；未考慮輸出伏特計漏電流；使用約5 μA漏電流的附加輸入電容。就這三種錯誤測試裝置而言，錯誤結構相互疊加，它們累加在一起。輸入伏特計的錯誤連接使用正確的輸入電容和正確的輸出伏特計。輸入和輸出伏特計的錯誤連接使用正確的輸入電容。使用大漏電流輸入電容的裝置還把錯誤的連接用于輸入和輸出伏特計。正如我們預計的那樣，使用這些最為糟糕的測試裝置，得到的效率測量結果肯定也不準確。

效率測量的其他考慮事項

理解測量裝置對超低IQ器件效率測量產(chǎn)生的影響以后，最后還有兩個方面需要考慮：輸入電源的遙測線路；外部或者內部反饋電阻器的使用。盡管并不常見，但它們都會影響效率。

具有遙測功能的輸入電源有時用于效率測量測試裝置，目的是在輸入電流計的負載和壓降變化時，提供一個經(jīng)過穩(wěn)壓的輸入電壓。但是，正如輸入伏特計，這些遙測線路會吸取電流。在許多情況下，這種電流相對較大—有時達到數(shù)百微安。無需贅言，測試裝置吸取如此高的電流肯定會影響效率計算結果，從而得到錯誤的結果。因此，為了獲得最佳結果，應在輸入電流計“之前”（而非之后）連接輸入電源的遙測線路。

在超低IQ器件效率測量過程中，需要考慮的最后一點是，使用外部還是內部反饋電阻器來設置輸出電壓。大多數(shù)電源都在輸出電壓（FB引腳）和接地之間使用兩個外部電阻器來設置輸出電壓。這樣便賦予用戶完全的靈活性，讓其可以把輸出電壓設置在任何希望的點。但是，使用外部電阻器和高敏感外部FB引腳，讓其更容易受到噪聲的影響。FB引腳處的所有外部噪聲都獲得了增益，從而帶來錯誤的輸出電壓。為了避免出現(xiàn)這種情況，一般應有1 μA和10 μA 之間的電流流入這兩個反饋電阻器，以保持它們對于外部噪聲源的穩(wěn)健性。由于該電流未流至負載，因此應把它看作是一種帶來效率降低的損耗。

為了保持高效率，F(xiàn)B 引腳和兩個電阻器應位于電源內部，以讓其遠離變化、高噪聲的外部環(huán)境。利用這種方法，一種電流最小的大電阻用于反饋電阻器，所以效率沒有明顯降低。盡管內部反饋電阻器設置電源內部的輸出電壓，并防止用戶對所有輸出電壓進行設置，但是如TPS62740 等降壓轉換器克服了這種局限性。它擁有四個數(shù)字輸入引腳，讓用戶能夠從最為常見的輸出電壓范圍（1.8V 到3.3V）進行選擇。同樣，許多其他TI TPS62xxx器件使用內部方式設置輸出電壓為完全固定（與TPS62091一樣），或者可通過I2C穩(wěn)壓（與TPS62360一樣）。這些低IQ器件是首選，因為它們不使用外部電阻器，不會降低效率，但仍然允許充分的用戶可結構性。

結論

準確測量超低IQ器件的效率很難，因為電路的電流非常小。必須對基本效率測量測試裝置進行稍微改動，以獲得準確的測量結果，以便能夠反映最終應用中真實電路的性能?？紤]及（或）消除測量設備中的各種漏電流是實現(xiàn)準確測量的關鍵。

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