一种用于产品检测的微电流测试方法

赵胜强 秦 浩

(中国地质大学机电学院，湖北 武汉 430074)

0 引言

在各种微小型、便携式的电子设备中，电池供电是一种普遍采用的方案，这使得整机功耗成为微型电子设备最突出的性能参数之一。在产品设计之初，微电子设备的整机电路都会针对功耗进行特别的优化处理，以满足成品的待机时间和低功耗的要求;而在产品生产过程中，厂商会针对产品的功耗性能进行各种严格的测试，以保证成品的质量。工业过程中一般用整机电流来衡量产品的整机能耗。本文介绍了一种在产品批量生产环节中对生产线上微电子产品整机消费微电流进行快速、批量测试的测试方法，并利用NI公司的LabVIEW软件和专用测试数据采集卡DAQ(data acquisition)快速搭建了可靠的测试平台。

1 测试电路

1.1 测试方案

常见的电流测试方法有I/V变换法、电容积分法和场效应管 +运算放大器(+T型电阻网络)法等［1－3］。与纯电流量的测试不同，本测试中被测试产品UUT(unit under test)无法作为电流源处理，只有外加电压后才能在被测品的供电线路上产生被测电流。因此，这些微电流测量方法在此处并不适用［4－5］。

本测试方法根据工业生产中要求操作简单、产能高和开发周期短等多方面的因素考虑而确定，基本思想是将产品在工作和待机时的微弱功耗电流转化为产品供电电路中的电压变化，其电路如图1所示。

图1 测试电路框图Fig.1 Block diagram of the test circuit

测试时被测试产品UUT固定于测试夹具上，由夹具上的测试针供电;取样电阻上的电压信号经转换电路后送给DAQ卡;测试程序对DAQ卡采集的电压数值进行处理，并依此计算出整机电流，判断产品是否合格。

1.2 测试电路原理

1.2.1 稳压取样电路

稳压取样电路如图2所示。

图2 稳压取样电路Fig.2 Voltage regulating and sampling circuit

由图2可知，+12 V直流电先经过MC7805CT稳压后再接取样电阻R1，然后经过+3 V稳压给被测产品供电。S81230PG为3 V直流稳压集成芯片，它为被测产品提供精确稳定的工作电源;取样电阻R1前加入了稳压芯片MC7805CT，这就最大限度地降低了其他电路波动对取样精度的影响，从而起到隔离其他电路的作用。

1.2.2 测试转换电路

测试转换电路如图3所示。

图3 转换电路Fig.3 Conversion circuit

测试转换电路的功能主要是实现A、B两点电压差值的求取［3］，利用集成运放高输入阻抗、低输出阻抗的特点，尽可能地降低转换电路对取样电路及被测产品的影响。前一级将A点电压经反相器反向后送到R6左侧的C点，后一级实现B点与C点电压的相加，电压相加之和经反向后输出到端口TO_NI_Card，实现将R1上的压降送到NI的DAQ卡:VA－VB=Vout，从而计算出取样电阻R1上的电压降。

2 电路元件的选择

2.1 取样电阻阻值的选择

由S81230PG产品手册可知，要使S81230PG输出正常稳定的3 V电压，其输入电压必须大于3 V，而经过实际测量，被测产品待机时的最大整机电流不超过750 μA，工作时最大电流不超过1500 μA。因此，为保证S81230PG输入电压符合要求，取样电阻上的电压分压必须小于2 V，由此可计算出图2中电阻R1所能

当R1的阻值大于计算值1.333 kΩ时，则R1上的分压将超过2 V，造成S81230PG不能正常工作。所以，给一定的裕度，取R1的值为200 Ω。同时，为了保证测量的精度，电阻选取为温度系数小和噪声小的金属膜电阻，精度为1%。图3中的电阻R2～R8对电路精度稳定性有着同等的重要性，也选取为同类型的电阻［6］。

2.2 电容及运放的选择

由于被测产品为直流供电，测试电路测试的是直流电压，因此，为了尽量减小高频噪声的影响，图3中加入了高频旁路电容C5、C6，且选取漏电流小、稳定性好的小容量钽电容;运放选用高精度、低漂移、低失调电压的 OP-07［7］。取得的最大阻值为:

3 测试程序中计算参数的确定

3.1 理论参数

整个测试电路模型如图4所示。

图4 测试原理框图Fig.4 Testing principle

设产品实际整机电流为IC，取样电阻R1上的电流为IL，I0为不接被测产品时取样电阻R1上的电流值，即K断开时中间回路的电流。I0主要由图2中的U2、C3、C4及后面电路中的相关元件的静态工作电流和静态漏电流决定，在温度等外部因素稳定时，此电流值变化十分微小。测试程序将DAQ卡采集到的取样电阻R1上电压值Vx换算成被测产品的整机电流IC。

设V0为图4中K断开时由I0引起的R1两端的电压值，也就是Vx的初始值，即:

设被测产品为线性负载，图4中K闭合后，产品的电流IC与R1两端电压Vx的关系为［4］:

设R1上的电流IL与R1两端电压Vx的关系为:

当图4所示开关K闭合后，有:

当K闭合，测试电路接入被测产品后，R1两端电压增加值为产品整机电流IC与R1阻值的乘积。

由式(1)～式(4)可以得到:

对比式(2)和式(5)，可得:

式(6)即为程序最终判断的计算式。

理论上，测试程序由式(2)根据取样电阻上的电压值计算产品电流IC时，系数a应为1/R1，等于R1的实测阻值198 Ω的倒数(0.00505)，当Vx的单位为mV时，a需要乘以1000，则:

3.2 实际参数的实验确定

为了确定实际参数，先采用纯电阻负载试验测量出计算参数，再用实际被测产品的测量数据来修正参数，从而确定程序中的系数a和b。

3.2.1 理想负载时的参数

用水泥电阻代替图1中的被测试产品［7］，量取电阻R1两端的电压Vx和水泥电阻上的电流IC，从记录中摘取的一组测量数据如表1所示。

表1 实际测量的电压与电流值Tab.1 Actual measured voltage and current values

由式(5)可算出:

表1中的实测电流IC为在测量时将高精度的安捷伦数字万用表Agilent34401A串接到负载供电线上(图4中UUT_Power点)时万用表的读数。

可以看出，式(8)的数值与式(7)中的理论值5.05已经有不小的误差。此处，可以采取多次测量计算的方法，取a'和b'的平均值，从而减小误差。

3.2.2 修正理想负载时的参数

假设将上面计算出来的参数a'和b'代入测试程序，则此时测试程序根据R1上的电压差Vx计算出来的电流值实际上是IL，即此时测试程序所用的计算式实际上为式(3)，而所求的电流为IC。IC与程序用参数a'和b'计算出来的电流存在差值I0(见式(4))，所以在最终的计算式中还要减去I0。

将图4中开关K断开，经过实际测量R1两端的电压值，计算出空负载时的电流值为:

所以，程序计算用的公式为:

3.2.3 实际计算参数的修正

将被测产品放入测试夹具，利用式(9)计算测试电流值IC;同时，记录实际电流值IC'，如表2所示。由表2可知，程序的计算值比实际万用表读数平均偏大31 μA。

表2 测试的电流值与实际电流值Tab.2 Tested current value vs.actual current value

所以，程序计算式应加上一个修正值:

则最终的负载电流计算式为:

4 结束语

关于各种微电流测试，许多专家和学者都做了大量的研究，也提出了很多方法，这些方法大都是针对实验室的应用提出的，而针对工业中的实际应用参数计算的方法很少。实际生产应用表明，本文提出针对工业应用的测量方案和参数计算及修正方法，操作简单，有效滤除了产品批量检测中的测量误差，实际测量误差范围在7%以内，能满足工业量产的质检要求。

［1］王卫勋.微电流检测方法的研究［D］.西安:西安理工大学，2007.

［2］王月娥.微电流测量方法的研究［D］.西安:西安理工大学，2005.

［3］于海洋，袁瑞铭，王长瑞，等.微电流测量方法评述［J］.华北电力技术，2006(11):51 －54.

［4］陆祖光.微电流测量技术探讨［J］.电测与仪表，1990，27(5):3 －7.

［5］严福兴.极微弱光电流测量电路的设计［J］.武汉理工大学学报:信息与管理工程版，2006，28(11):114 －116.

［6］冈村迪夫.OP放大电路设计［M］.王玲，徐雅珍，李武平，译.北京:科学出版社，2005:103 －106，113.

［7］沙振舜.微电流测量仪的研究［J］.电侧与仪表，1993，30(3):3 －7.