CN121679110A - 数字差分采样电源装置和电流测量单元的校准方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种数字差分采样电源装置和电流测量单元的校准方法，驱动单元通过高端电流线HF连接到待测器件，输出激励信号至待测器件，待测器件通过低端电流线LF连接到驱动单元内部接地端。电流采样电阻串接设置于高端电流线HF，电流测量单元分别检测电流采样电阻两端的对地电压，转换得到第一数字信号和第二数字信号输送至控制单元。控制单元根据接收的所述第一数字信号和第二数字信号分析得到测量电流，根据测量电流进行反馈调节，输出控制信号至驱动单元调整所述激励信号的电流。通过电流测量单元分别检测电流采样电阻两端的对地电压，转换为数字量后计算测量电流，可有效降低共模电压对电流测量造成的误差，提高了测量精度。

Description

数字差分采样电源装置和电流测量单元的校准方法

技术领域

本申请涉及半导体测试技术领域，特别是涉及一种数字差分采样电源装置和电流测量单元的校准方法。

背景技术

在集成电路测试中，需要电压电流源(VI源)对被测器件(DUT，Device UnderTest)进行信号激励及电压电流的测量。为了提高输出电压和测试电压精度，VI源都采用四线开尔文(Kelvin)接线方式，分别为高端电流线(HF，High Force)、高端电压线(HS，HighSense)、低端电流线(LF，Low Force)和低端电压线(LS，Low Sense)。其中电流从高端电流线HF输出(或输入)，从低端电流线LF回流(或流出)。电压测量则取高端电压线HS与低端电压线LS之差为DUT上的电压差，HS端和LS端内部是高阻抗输入端，信号近端与远端的电压相同。

然而，VI源采用四线开尔文的连接方式，在电流校准和正常对被测器件DUT进行电流的测量时，由于采用硬件差分测量，电流采样电路的共模抑制比有限，导致共模电压会对电压/电流测量结果造成影响，从而导致电流测量精度低，尤其在VI源输出高电压场景下共模电压带来的测量误差尤为明显。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种可提高测量精度的数字差分采样电源装置和电流测量单元的校准方法。

本申请第一方面提供一种数字差分采样电源装置，包括：

驱动单元，通过高端电流线HF连接到待测器件，输出激励信号至所述待测器件，所述待测器件通过低端电流线LF连接到驱动单元内部接地端；

电流采样电阻，串接设置于所述高端电流线HF；

电流测量单元，连接所述电流采样电阻的两端，分别检测所述电流采样电阻两端的对地电压，转换得到第一数字信号和第二数字信号输送至控制单元；

所述控制单元，连接所述驱动单元和所述电流测量单元，根据接收的所述第一数字信号和所述第二数字信号分析得到测量电流，根据所述测量电流进行反馈调节，输出控制信号至所述驱动单元调整所述激励信号的电流。

在其中一个实施例中，所述控制单元根据所述电流测量单元输出的第一数字信号和第二数字信号确定对应的采样机测值，根据所述采样机测值和设置的电流校准参数计算得到测量电流。

在其中一个实施例中，电源装置还包括万用表，所述万用表用于分别检测电流采样电阻两端的对地电压表测值，以及检测流经电流采样电阻的电流；

在空载时所述控制单元控制驱动单元输出多组不同激励电压，分别实时根据电流测量单元输出的第一数字信号和第二数字信号确定采样机测值，通过所述万用表分别读取电流采样电阻两端的对地电压表测值，基于空载时每组测得的电流采样电阻的第一端的对地电压表测值和对应采样机测值进行线性拟合，以及基于空载时每组测得的电流采样电阻的第二端的对地电压表测值和对应的采样机测值进行线性拟合，确定电流机测值表达式；

在带载时所述控制单元控制驱动单元输出多组不同激励电流，分别实时根据电流测量单元输出的第一数字信号和第二数字信号确定对应的采样机测值，通过所述万用表读取流经电流采样电阻的电流表测值，基于带载时每组采样机测值以及所述电流机测值表达式计算得到每组的电流机测值，根据每组的电流机测值和每组测得的电流表测值进行线性拟合，确定电流校准参数。

在其中一个实施例中，所述电流测量单元包括跟随运算放大器U1、跟随运算放大器U2、差分运算放大器U3、差分运算放大器U4、模数转换器ADC1和模数转换器ADC2；

所述跟随运算放大器U1的同相输入端连接所述电流采样电阻的第一端，所述跟随运算放大器U1的反相输入端连接所述跟随运算放大器U1的输出端，所述跟随运算放大器U1的输出端连接所述差分运算放大器U3的第一输入端，所述差分运算放大器U3的第二输入端连接接地端，所述差分运算放大器U3的输出端连接所述模数转换器ADC1，所述模数转换器ADC1连接所述控制单元；

所述跟随运算放大器U2的同相输入端连接所述电流采样电阻的第二端，所述跟随运算放大器U2的反相输入端连接所述跟随运算放大器U2的输出端，所述跟随运算放大器U2的输出端连接所述差分运算放大器U4的第一输入端，所述差分运算放大器U4的第二输入端连接接地端，所述差分运算放大器U4的输出端连接所述模数转换器ADC2，所述模数转换器ADC2连接所述控制单元。

在其中一个实施例中，测量电流的计算公式为：

MI=kMI*[(VFB_RsH*Gain1*kRsH+bRsH)-(VFB_RsL*Gain2*kRsL+bRsL)]/Rs+bMI

其中，MI为测量电流，kMI、bMI、kRsH、bRsH、kRsL、bRsL为电流校准参数，VFB_RsH、VFB_RsL分别为模数转换器ADC1和模数转换器ADC2的采样机测值；Rs为电流采样电阻的标称值，Gain1为模数转换器ADC1所在链路的硬件增益，Gain2为模数转换器ADC2所在链路的硬件增益；VFB_RsH*Gain1*kRsH+bRsH和VFB_RsL*Gain2*kRsL+bRsL分别为电流采样电阻的第一端、第二端的对地电压机测值。

在其中一个实施例中，电源装置还包括：

HS电压测量单元，通过高端电压线HS连接到待测器件，检测所述高端电压线HS的对地电压，转换得到HS数字信号输送至控制单元；

LS电压测量单元，通过低端电压线LS连接到待测器件，检测所述低端电压线LS的对地电压，转换得到LS数字信号输送至控制单元；

所述控制单元还连接所述HS电压测量单元和所述LS电压测量单元，所述控制单元根据接收的HS数字信号和LS数字信号分析得到测量电压，根据所述测量电压进行反馈调节，输出控制信号至所述驱动单元调整所述激励信号的电压。

在其中一个实施例中，所述控制单元根据所述HS电压测量单元和所述LS电压测量单元分别输出的HS数字信号和LS数字信号确定HS采样机测值和LS采样机测值，根据HS采样机测值、LS采样机测值以及设置的电压校准参数计算得到测量电压。

在其中一个实施例中，万用表还用于分别检测高端电压线HS的对地电压表测值以及低端电压线LS的对地电压表测值；

在带载时所述控制单元控制驱动单元输出多组不同激励电流，分别实时获取HS采样机测值和LS采样机测值，通过万用表分别读取HS对地电压表测值和LS对地电压表测值，基于每组HS采样机测值和HS对地电压表测值进行线性拟合，以及基于每组LS采样机测值和LS对地电压表测值进行线性拟合，确定电压校准参数。

在其中一个实施例中，所述HS电压测量单元包括跟随运算放大器U5、差分运算放大器U6和模数转换器ADC3，所述跟随运算放大器U5的同相输入端连接高端电压线HS，所述跟随运算放大器U5的反相输入端连接所述跟随运算放大器U5的输出端，所述跟随运算放大器U5的输出端连接所述差分运算放大器U6的第一输入端，所述差分运算放大器U6的第二输入端连接接地端，所述差分运算放大器U6的输出端连接所述模数转换器ADC3，所述模数转换器ADC3连接所述控制单元；

所述LS电压测量单元包括跟随运算放大器U7、差分运算放大器U8和模数转换器ADC4，所述跟随运算放大器U7的同相输入端连接低端电压线LS，所述跟随运算放大器U7的反相输入端连接所述跟随运算放大器U7的输出端，所述跟随运算放大器U7的输出端连接所述差分运算放大器U8的第一输入端，所述差分运算放大器U8的第二输入端连接接地端，所述差分运算放大器U8的输出端连接所述模数转换器ADC4，所述模数转换器ADC4连接所述控制单元。

在其中一个实施例中，测量电压的计算公式为：

MV=(VFB_HS*Gain3*kHS+bHS)-(VFB_LS*Gain4*kLS+bLS)

其中，MV为测量电压，kHS、bHS、kLS、bLS为电压校准参数，VFB_HS为模数转换器ADC3的HS采样机测值、VFB_LS为模数转换器ADC4的LS采样机测值；Gain3为模数转换器ADC3所在链路的硬件增益，Gain4为模数转换器ADC4所在链路的硬件增益；VFB_HS*Gain3*kHS+bHS和VFB_LS*Gain4*kLS+bLS分别为HS对地电压机测值、LS对地电压机测值。

本申请第二方面提供一种电流测量单元的校准方法，应用于控制单元，数字差分采样电源装置包括驱动单元、电流测量单元、电流采样电阻和控制单元，所述电流测量单元连接电流采样电阻的两端，分别检测所述电流采样电阻两端的对地电压，转换得到第一数字信号和第二数字信号输送至所述控制单元；驱动单元通过高端电流线HF连接到待测器件，所述待测器件通过低端电流线LF连接到驱动单元内部接地端；所述电流采样电阻两端串接设置于高端电流线HF；该方法包括：

基于采样机测值和设置的电流校准参数计算得到测量电流，其中，采样机测值由所述控制单元根据所述电流测量单元输出的第一数字信号和第二数字信号分别确定。

在其中一个实施例中，万用表用于分别检测电流采样电阻两端的对地电压表测值，以及检测流经电流采样电阻的电流；确定设置的电流校准参数包括：

在空载时所述控制单元控制驱动单元输出多组不同激励电压，分别实时根据电流测量单元输出的第一数字信号和第二数字信号确定采样机测值，通过所述万用表分别读取电流采样电阻两端的对地电压表测值，基于空载时每组测得的电流采样电阻的第一端的对地电压表测值和对应采样机测值进行线性拟合，以及基于空载时每组测得的电流采样电阻的第二端的对地电压表测值和对应的采样机测值进行线性拟合，确定电流机测值表达式；

在带载时所述控制单元控制驱动单元输出多组不同激励电流，分别实时根据电流测量单元输出的第一数字信号和第二数字信号确定对应的采样机测值，通过所述万用表读取流经电流采样电阻的电流表测值，基于带载时每组采样机测值以及所述电流机测值表达式计算得到每组的电流机测值，根据每组的电流机测值和每组测得的电流表测值进行线性拟合，确定电流校准参数。

在其中一个实施例中，基于空载时每组测得的电流采样电阻的第一端的对地电压表测值和对应采样机测值进行线性拟合，以及基于空载时每组测得的电流采样电阻的第二端的对地电压表测值和对应的采样机测值进行线性拟合，确定电流机测值表达式，包括：

根据空载时每组测得的电流采样电阻的第一端的对地电压机测值、对地电压表测值进行一元线性拟合，得到电流校准参数kRsH、bRsH；

根据空载时每组测得的电流采样电阻的第二端的对地电压机测值、对地电压表测值进行一元线性拟合，得到电流校准参数kRsL、bRsL；

电流机测值表达式为：

MI机测值=[(VFB_RsH*Gain1*kRsH+bRsH)-(VFB_RsL*Gain2*kRsL+bRsL)]/Rs

其中，VFB_RsH、VFB_RsL分别为模数转换器ADC1和模数转换器ADC2的采样机测值，Rs为电流采样电阻的标称值，Gain1为模数转换器ADC1所在链路的硬件增益，Gain2为模数转换器ADC2所在链路的硬件增益；VFB_RsH*Gain1*kRsH+bRsH和VFB_RsL*Gain2*kRsL+bRsL分别为电流采样电阻的第一端、第二端的对地电压机测值。

在其中一个实施例中，根据每组的电流机测值和每组测得的电流表测值进行线性拟合，确定电流校准参数，包括：

将每组计算得到的电流机测值和每组测得的电流表测值进行一元线性拟合，得到电流校准参数kMI、bMI；

测量电流MI的计算公式为：

MI=kMI*[(VFB_RsH*Gain1*kRsH+bRsH)-(VFB_RsL*Gain2*kRsL+bRsL)]/Rs+bMI。

上述数字差分采样电源装置和电流测量单元的校准方法，驱动单元通过高端电流线HF连接到待测器件，输出激励信号至待测器件，待测器件通过低端电流线LF连接到驱动单元内部接地端。电流采样电阻串接设置于高端电流线HF，电流测量单元分别检测电流采样电阻两端的对地电压，转换得到第一数字信号和第二数字信号输送至控制单元。控制单元根据接收的所述第一数字信号和第二数字信号分析得到测量电流，根据测量电流进行反馈调节，输出控制信号至驱动单元调整所述激励信号的电流。通过电流测量单元分别检测电流采样电阻两端的对地电压，转换为数字量后计算测量电流，可有效降低共模电压对电流测量造成的误差，提高了电流测量精度。

附图说明

图1为一个实施例中数字差分采样电源装置的结构框图；

图2为一个实施例中数字差分采样电源装置的结构原理图；

图3为一个实施例中电流测量单元的校准流程图；

图4为一个实施例中HS电压测量单元和LS电压测量单元的校准流程图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤 、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或 ”包括相关所列项目的任何及所有组合。

现有技术中，采用高端电流采样，电流测量受共模电压影响较大，电压测量受共模电压影响相对较小。电流校准时，通常为欧姆级或毫欧级的电阻负载，HF通过负载电阻和LF接地，采样电阻靠近HF的一端电位接近于0，即电流采样在共模电压接近0的情况下进行了电流测量校准。然而，在正常工作时，HF电压根据应用场景不同会有不同程度的抬升，主要来源于负载电阻的压降，在高电压场景下共模电压带来的测量误差尤为明显。

因此，本申请提供了一种数字差分采样电源装置，该电源装置具体可以是VI源，采用开尔文四线法输出。如图1所示，数字差分采样电源装置包括驱动单元110、电流采样电阻（未示出）、电流测量单元120和控制单元130，驱动单元110通过高端电流线HF连接到待测器件DUT，输出激励信号至待测器件DUT，向待测器件DUT施加电压/电流激励，待测器件DUT通过低端电流线LF连接到驱动单元110内部接地端，电流采样电阻串接设置于高端电流线HF。电流测量单元120连接电流采样电阻的两端，分别检测电流采样电阻两端的对地电压，转换得到第一数字信号和第二数字信号输送至控制单元130。控制单元130连接驱动单元110和电流测量单元120，根据接收的第一数字信号和第二数字信号分析得到测量电流，根据测量电流进行反馈调节，输出控制信号至驱动单元110调整激励信号的电流。其中，待测器件DUT可以是待测芯片，也可以是其他需要接收激励信号进行测试的器件。如图2所示，电流采样电阻R_S串接设置于高端电流线HF。通过电流测量单元120分别检测电流采样电阻R_S两端的对地电压，转换为数字量后计算测量电流，可有效降低因硬件差分测量存在共模电压对电流测量造成的误差，提高电流测量精度。

可以理解地是，检测电流采样电阻R_S两端的对地电压分别指的是电流采样电阻R_S的第一端相对于接地端的电压，电流采样电阻R_S的第二端相对于接地端的电压，接地端电压默认为0V。

在一示例中，本申请中接地端可以为同一公共地，即为驱动单元内部接地端。

参照图1和图2，电源装置还包括HS电压测量单元140和LS电压测量单元150，HS电压测量单元140通过高端电压线HS连接到待测器件DUT，检测高端电压线HS的对地电压，转换得到HS数字信号输送至控制单元130；LS电压测量单元150通过低端电压线LS连接到待测器件DUT，检测低端电压线LS的对地电压，转换得到LS数字信号输送至控制单元130；控制单元130还连接HS电压测量单元140和LS电压测量单元150，控制单元130根据接收的HS数字信号和LS数字信号分析得到测量电压，根据测量电压进行反馈调节，输出控制信号至驱动单元110调整激励信号的电压。通过HS电压测量单元140和LS电压测量单元150分别检测HS对地电压和LS对地电压，转换为数字量后计算测量电压，降低共模电压对电压测量造成的误差，进一步地提高了电压测量精度。

可以理解地是，高端电压线HS的对地电压和低端电压线LS的对地电压指相对于同一接地端的电压，接地端电压默认为0V。

其中，驱动单元110接收控制单元130输送的控制信号，并输出电压/电流激励到待测器件DUT。HS电压测量单元140和LS电压测量单元150测量待测器件DUT两端的HS对地电压和LS对地电压，电流测量单元120测量回路中的电流，控制单元130根据接收的相应数字信号计算测量电压/测量电流，根据测量电压/测量电流进行反馈闭环控制，调整驱动单元110的输出激励电压/激励电流。

在一个实施例中，电流测量单元120分别检测电流采样电阻R_S两端的对地电压，转换得到第一数字信号和第二数字信号输送至控制单元130后，控制单元130根据电流测量单元120输出的第一数字信号和第二数字信号确定对应的采样机测值，根据采样机测值和设置的电流校准参数计算得到测量电流。进一步地，控制单元130还根据HS电压测量单元140和LS电压测量单元150分别输出的HS数字信号和LS数字信号确定HS采样机测值和LS采样机测值，根据HS采样机测值、LS采样机测值以及设置的电压校准参数计算得到测量电压。

此外，电源装置还可包括用于电流测量校准和/或电压测量校准的万用表；其中，万用表分别检测电流采样电阻R_S两端的对地电压表测值，检测流经电流采样电阻的电流；和/或，万用表分别检测高端电压线HS的对地电压表测值和低端电压线LS的对地电压表测值。

在一个实施例中，控制单元130可以是只包括控制器，根据电流测量单元120、HS电压测量单元140、LS电压测量单元150以及万用表采集的数据，对电流测量单元120、HS电压测量单元140和LS电压测量单元150进行校准操作，确定电流校准参数和电压校准参数。在另一实施例中，控制单元130也可以是包括控制器和终端，控制器连接驱动单元110、电流测量单元120、HS电压测量单元140、LS电压测量单元150以及终端，将电流测量单元120、HS电压测量单元140、LS电压测量单元150采集的数据上传至终端，终端再结合万用表采集的数据对电流测量单元120、HS电压测量单元140和LS电压测量单元150进行校准操作，确定电流校准参数和电压校准参数。实际测量待测器件DUT时，控制器根据电流测量单元120、HS电压测量单元140、LS电压测量单元150输出的数字信号，以及设置的电流校准参数和电压校准参数，对应分析得到测量电流和测量电流，反馈调节驱动单元110输出的激励信号。其中，控制器可以是FPGA、CPU、CPLD、MCU等器件，本实施例中，控制器采用FPGA。终端可以但不限于是各种个人计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑和便携式可穿戴设备，便携式可穿戴设备可为智能手表、智能手环、头戴设备等。

可以理解，驱动单元110、电流测量单元120、HS电压测量单元140、LS电压测量单元150的具体结构都不是唯一的。在一个实施例中，如图2所示，驱动单元110具体包括数模转换器DAC和功率放大器PA，数模转换器DAC连接控制单元130（具体连接到FPGA）和功率放大器PA，功率放大器PA通过高端电流线HF连接被测器件DUT，低端电流线LF连接接地端和待测器件DUT。数模转换器DAC接收FPGA的数字信号，转换为模拟信号输出至功率放大器PA，功率放大器PA通过高端电流线HF输出激励信号至被测器件DUT，再通过低端电流线LF回流至接地端。

在一个实施例中，继续参照图2，电流测量单元120包括跟随运算放大器U1、跟随运算放大器U2、差分运算放大器U3、差分运算放大器U4、模数转换器ADC1和模数转换器ADC2。

具体地，跟随运算放大器U1的同相输入端连接电流采样电阻R_S的第一端，跟随运算放大器U1的反相输入端连接跟随运算放大器U1的输出端，跟随运算放大器U1的输出端连接差分运算放大器U3的第一输入端，差分运算放大器U3的第二输入端连接接地端，差分运算放大器U3的输出端连接模数转换器ADC1，模数转换器ADC1连接控制单元130（具体连接到FPGA）。跟随运算放大器U2的同相输入端连接电流采样电阻R_S的第二端，跟随运算放大器U2的反相输入端连接跟随运算放大器U2的输出端，跟随运算放大器U2的输出端连接差分运算放大器U4的第一输入端，差分运算放大器U4的第二输入端连接接地端，差分运算放大器U4的输出端连接模数转换器ADC2，模数转换器ADC2连接控制单元130（具体连接到FPGA）。

本实施例中，将差分运算放大器U3、U4的其中一个输入端，分别通过跟随运算放大器U1、U2连接电流采样电阻R_S两端，分别采样R_S两端的对地电压，转换得到第一数字信号和第二数字信号输送至FPGA。

在一个实施例中，如图2所示，具体地，HS电压测量单元140包括跟随运算放大器U5、差分运算放大器U6和模数转换器ADC3，跟随运算放大器U5的同相输入端连接高端电压线HS，跟随运算放大器U5的反相输入端连接跟随运算放大器U5的输出端，跟随运算放大器U5的输出端连接差分运算放大器U6的第一输入端，差分运算放大器U6的第二输入端连接接地端，差分运算放大器U6的输出端连接模数转换器ADC3，模数转换器ADC3连接控制单元130（具体连接到FPGA）。通过模数转换器ADC3采样差分运算放大器U6的输出电压，转换为HS数字信号给到FPGA。

进一步地，LS电压测量单元150包括跟随运算放大器U7、差分运算放大器U8和模数转换器ADC4，跟随运算放大器U7的同相输入端连接低端电压线LS，跟随运算放大器U7的反相输入端连接跟随运算放大器U7的输出端，跟随运算放大器U7的输出端连接差分运算放大器U8的第一输入端，差分运算放大器U8的第二输入端连接接地端，差分运算放大器U8的输出端连接模数转换器ADC4，模数转换器ADC4连接控制单元130（具体连接到FPGA）。通过模数转换器ADC4采样差分运算放大器U6的输出电压，转换为LS数字信号给到FPGA。

该电源装置在工作时，由FPGA获取HS电压测量单元140、LS电压测量单元150和电流测量单元120所反馈的数字量，结合数字PID算法控制驱动单元110中的数模转换器DAC驱动功率放大器PA工作，通过高端电流线HF输出电压/电流激励至被测器件DUT，再由低端电流线LF回流至接地端，实现数字环VI源系统的闭环反馈工作。

对于电流测量单元120，模数转换器ADC1的采样机测值记为VFB_RsH，模数转换器ADC2的采样机测值为VFB_VRsL，Rs为电流采样电阻R_S的标称值，模数转换器ADC1测量链路的硬件增益记为Gain1，模数转换器ADC2测量链路的硬件增益记为Gain2。电流测量分两种运行方式：低精度模式和高精度模式。

在低精度模式下，基于硬件电路自身逻辑，在不考虑硬件器件精度和非线性误差的情况下:

VRsH=VFB_RsH*Gain1

VRsL=VFB_RsL*Gain2

MI=(VRsH-VRsL)/Rs

具体实现方式为：实时获取模数转换器ADC1和模数转换器ADC2的采样机测值VFB_RsH、VFB_RsL，则

MI=(VFB_RsH*Gain1-VFB_RsL*Gain2)/Rs

在高精度模式下，需要对模数转换器ADC1和模数转换器ADC2所在的测量链路进行校准。

在一个实施例中，万用表用于分别检测电流采样电阻R_S两端的对地电压表测值，以及检测流经电流采样电阻R_S的电流。

在空载时控制单元130控制驱动单元110输出多组不同激励电压，分别实时根据电流测量单元120输出的第一数字信号和第二数字信号确定采样机测值，通过万用表分别读取电流采样电阻R_S两端的对地电压表测值，基于空载时每组测得的电流采样电阻R_S的第一端的对地电压表测值和对应采样机测值进行线性拟合，以及基于空载时每组测得的电流采样电阻的第二端的对地电压表测值和对应的采样机测值进行线性拟合，确定电流机测值表达式。

VI源空载，可以是无负载或者是连接的负载电阻阻值较大（兆欧级别），高端电流线HF和高端电压线HS连在一起，低端电压线LS和低端电流线LF连在一起。VI源带载，则是连接待测器件DUT，VI源经高端电流线HF输出电流，经过待测器件DUT回流到低端电流线LF。

如图3所示，步骤Sa:VI源空载时输出n组不同激励电压，分别实时读取模数转换器ADC1和模数转换器ADC2的采样机测值，万用表读取电流采样电阻R_S两端的对地电压表测值，得到数组VFB_RsH[n]、VRsH[n]、VFB_RsL[n]、VRsL[n]。

步骤Sb:将空载时电流采样电阻R_S的第一端的对地电压表测值VRsH[n]和对应采样机测值VFB_RsH[n]进行一元线性拟合，以及将空载时电流采样电阻R_S的第二端的对地电压表测值VRsL[n]和对应采样机测值VFB_RsL[n]进行一元线性拟合，计算VRsH=VFB_RsH*Gain1*kRsH+bRsH、VRsL=VFB_RsL*Gain2*kRsL+bRsL中kRsH、bRsH、kRsL、bRsL的值，得到电流机测值表达式：

MI机测值=[(VFB_RsH*Gain1*kRsH+bRsH)-(VFB_RsL*Gain2*kRsL+bRsL)]/Rs

其中，VFB_RsH、VFB_RsL分别为模数转换器ADC1和模数转换器ADC2的采样机测值，Rs为电流采样电阻的标称值，Gain1为模数转换器ADC1所在链路的硬件增益，Gain2为模数转换器ADC2所在链路的硬件增益； VFB_RsH*Gain1*kRsH+bRsH和VFB_RsL*Gain2*kRsL+bRsL分别为电流采样电阻R_S的第一端、第二端的对地电压机测值，也即是电流采样电阻R_S的第一端的对地电压和电流采样电阻R_S的第二端的对地电压。

进一步地，在带载时控制单元130控制驱动单元110输出多组不同激励电流，分别实时根据电流测量单元120输出的第一数字信号和第二数字信号确定对应的采样机测值，通过万用表读取流经电流采样电阻R_S的电流表测值，基于带载时每组采样机测值以及电流机测值表达式计算得到每组的电流机测值，根据每组的电流机测值和每组测得的电流表测值进行线性拟合，确定电流校准参数。

继续参照图3，步骤Sc:VI源带载输出m组不同电流激励，分别实时读取模数转换器ADC1和模数转换器ADC2的采样机测值，万用表读取流经电流采样电阻R_S的电流表测值，得到数组VFB_RsH[m]、VFB_RsL[m]、IMRs[m]。

步骤Sd:将VFB_RsH[m]、VFB_RsL[m]代入电流机测值表达式计算得到数组MI机测值[m]。

步骤Se:将MI机测值[m]与IMRs[m]通过一元线性拟合（Rs不准确，需要对MI机测值进行修正），计算IMRs=MI机测值*kMI+bMI中的kMI、bMI的值，则测量电流的计算公式为：

MI=kMI*[(VFB_RsH*Gain1*kRsH+bRsH)-(VFB_RsL*Gain2*kRsL+bRsL)]/Rs+bMI

其中，MI为测量电流，kMI、bMI、kRsH、bRsH、kRsL、bRsL为电流校准参数，VFB_RsH、VFB_RsL分别为模数转换器ADC1和模数转换器ADC2的采样机测值；Rs为电流采样电阻的标称值，Gain1为模数转换器ADC1所在链路的硬件增益，Gain2为模数转换器ADC2所在链路的硬件增益。VFB_RsH*Gain1*kRsH+bRsH和VFB_RsL*Gain2*kRsL+bRsL分别为电流采样电阻的第一端、第二端的对地电压机测值。将kMI、kRsH、kRsL置1，bMI、bRsH、bRsL置0，即为低精度模式。

对于HS电压测量单元140和LS电压测量单元150，模数转换器ADC3的HS采样机测值记为VFB_HS，模数转换器ADC4的LS采样机测值记为VFB_LS，模数转换器ADC3测量链路的硬件增益记为Gain3，模数转换器ADC4测量链路的硬件增益记为Gain4。电压测量同样分两种运行方式：低精度模式和高精度模式。

在低精度模式下，基于硬件电路自身逻辑，在不考虑硬件器件精度和非线性误差的情况下:

VHS=VFB_HS*Gain3

VLS=VFB_LS*Gain4

MV=VHS-VLS

具体实现方式为：模数转换器ADC3和模数转换器ADC4的HS采样机测值VFB_HS、LS采样机测值VFB_LS，则

MV=VFB_HS*Gain3-VFB_LS*Gain4

在高精度模式下，需要对模数转换器ADC3和模数转换器ADC4所在的测量链路进行校准。

在一个实施例中，万用表还用于分别检测高端电压线HS的对地电压表测值以及低端电压线LS的对地电压表测值。

在带载时控制单元130控制驱动单元110输出多组不同激励电流，分别实时获取HS采样机测值和LS采样机测值，通过万用表分别读取HS对地电压表测值和LS对地电压表测值，基于每组HS采样机测值和HS对地电压表测值进行线性拟合，以及基于每组LS采样机测值和LS对地电压表测值进行线性拟合，确定电压校准参数。

如图4所示，步骤Sf:VI源带载输出n组不同的电流激励，分别实时读取模数转换器ADC3的HS采样机测值和模数转换器ADC4的LS采样机测值，万用表读取HS对地电压表测值和LS对地电压表测值，得到数组VFB_HS[n]、VHS[n]、VFB_LS[n]、VLS[n]。

步骤Sg:将HS采样机测值VFB_HS[n]和HS对地电压表测值VHS[n]进行一元线性拟合，以及将LS采样机测值VFB_LS[n]和LS对地电压表测值VLS[n]进行一元线性拟合，计算VHS=VFB_HS*Gain3*kHS+bHS、VLS=VFB_LS*Gain4*kLS+bLS中kHS、bHS、kLS、bLS的值，则测量电压的计算公式为：

MV=(VFB_HS*Gain3*kHS+bHS)-(VFB_LS*Gain4*kLS+bLS)

其中，MV为测量电压，kHS、bHS、kLS、bLS为电压校准参数，VFB_HS为模数转换器ADC3的HS采样机测值、VFB_LS为模数转换器ADC4的LS采样机测值；Gain3为模数转换器ADC3所在链路的硬件增益，Gain4为模数转换器ADC4所在链路的硬件增益。VFB_HS*Gain3*kHS+bHS和VFB_LS*Gain4*kLS+bLS分别为HS对地电压机测值、LS对地电压机测值。将kHS、kLS置1，bHS、bLS置0，即为低精度模式。

上述数字差分采样电源装置，通过多路ADC去采样电流采样电阻Rs两端、HS、LS这四个点位的对地电压，先测量信号单端对地电压，转换为数字量后在FPGA内部计算差分电压，然后转换为对应的测量电压MV和测量电流MI，不采用现有技术方案的硬件差分测量，不需要直接测量LS产生的共模电压，通过多个ADC采集各个节点的对地电压，以规避共模影响，可有效降低共模电压对电压、电流测量造成的误差。

在一个实施例中，还提供了一种电流测量单元的校准方法，应用于控制单元，数字差分采样电源装置包括驱动单元、电流测量单元、电流采样电阻和控制单元，电流测量单元连接电流采样电阻的两端，分别检测电流采样电阻两端的对地电压，转换得到第一数字信号和第二数字信号输送至控制单元；驱动单元通过高端电流线HF连接到待测器件，待测器件通过低端电流线LF连接到驱动单元内部接地端；电流采样电阻两端串接设置于高端电流线HF；该方法包括：

步骤S1：基于采样机测值和设置的电流校准参数计算得到测量电流，其中，采样机测值由控制单元根据电流测量单元输出的第一数字信号和第二数字信号分别确定。

在一个实施例中，万用表用于分别检测电流采样电阻两端的对地电压表测值，以及检测流经电流采样电阻的电流；确定设置的电流校准参数包括：

步骤S11：在空载时控制单元控制驱动单元输出多组不同激励电压，分别实时根据电流测量单元输出的第一数字信号和第二数字信号确定采样机测值，通过万用表分别读取电流采样电阻两端的对地电压表测值，基于空载时每组测得的电流采样电阻的第一端的对地电压表测值和对应采样机测值进行线性拟合，以及基于空载时每组测得的电流采样电阻的第二端的对地电压表测值和对应的采样机测值进行线性拟合，确定电流机测值表达式；

步骤S12：在带载时控制单元控制驱动单元输出多组不同激励电流，分别实时根据电流测量单元输出的第一数字信号和第二数字信号确定对应的采样机测值，通过万用表读取流经电流采样电阻的电流表测值，基于带载时每组采样机测值以及电流机测值表达式计算得到每组的电流机测值，根据每组的电流机测值和每组测得的电流表测值进行线性拟合，确定电流校准参数。

在一个实施例中，基于空载时每组测得的电流采样电阻的第一端的对地电压表测值和对应采样机测值进行线性拟合，以及基于空载时每组测得的电流采样电阻的第二端的对地电压表测值和对应的采样机测值进行线性拟合，确定电流机测值表达式，包括：

步骤S111：根据空载时每组测得的电流采样电阻的第一端的对地电压机测值、对地电压表测值进行一元线性拟合，得到电流校准参数kRsH、bRsH；

步骤S112：根据空载时每组测得的电流采样电阻的第二端的对地电压机测值、对地电压表测值进行一元线性拟合，得到电流校准参数kRsL、bRsL；

电流机测值表达式为：

MI机测值=[(VFB_RsH*Gain1*kRsH+bRsH)-(VFB_RsL*Gain2*kRsL+bRsL)]/Rs

其中，VFB_RsH、VFB_RsL分别为模数转换器ADC1和模数转换器ADC2的采样机测值，Rs为电流采样电阻的标称值，Gain1为模数转换器ADC1所在链路的硬件增益，Gain2为模数转换器ADC2所在链路的硬件增益；VFB_RsH*Gain1*kRsH+bRsH和VFB_RsL*Gain2*kRsL+bRsL分别为电流采样电阻的第一端、第二端的对地电压机测值。

在一个实施例中，根据每组的电流机测值和每组测得的电流表测值进行线性拟合，确定电流校准参数，包括：

步骤S113：将每组计算得到的电流机测值和每组测得的电流表测值进行一元线性拟合，得到电流校准参数kMI、bMI。测量电流MI的计算公式为：

MI=kMI*[(VFB_RsH*Gain1*kRsH+bRsH)-(VFB_RsL*Gain2*kRsL+bRsL)]/Rs+bMI。

可以理解，电流测量单元的校准方法，其具体实施例在上述数字差分采样电源装置中进行了详细解释说明，在此不再赘述。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (14)

1.一种数字差分采样电源装置，其特征在于，包括：

驱动单元，通过高端电流线HF连接到待测器件，输出激励信号至所述待测器件，所述待测器件通过低端电流线LF连接到驱动单元内部接地端；

电流采样电阻，串接设置于所述高端电流线HF；

电流测量单元，连接所述电流采样电阻的两端，分别检测所述电流采样电阻两端的对地电压，转换得到第一数字信号和第二数字信号输送至控制单元；

所述控制单元，连接所述驱动单元和所述电流测量单元，根据接收的所述第一数字信号和所述第二数字信号分析得到测量电流，根据所述测量电流进行反馈调节，输出控制信号至所述驱动单元调整所述激励信号的电流。

2.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，所述控制单元根据所述电流测量单元输出的第一数字信号和第二数字信号确定对应的采样机测值，根据所述采样机测值和设置的电流校准参数计算得到测量电流。

3.根据权利要求2所述的电源装置，其特征在于，还包括万用表，所述万用表用于分别检测电流采样电阻两端的对地电压表测值，以及检测流经电流采样电阻的电流；

在空载时所述控制单元控制驱动单元输出多组不同激励电压，分别实时根据电流测量单元输出的第一数字信号和第二数字信号确定采样机测值，通过所述万用表分别读取电流采样电阻两端的对地电压表测值，基于空载时每组测得的电流采样电阻的第一端的对地电压表测值和对应采样机测值进行线性拟合，以及基于空载时每组测得的电流采样电阻的第二端的对地电压表测值和对应的采样机测值进行线性拟合，确定电流机测值表达式；

在带载时所述控制单元控制驱动单元输出多组不同激励电流，分别实时根据电流测量单元输出的第一数字信号和第二数字信号确定对应的采样机测值，通过所述万用表读取流经电流采样电阻的电流表测值，基于带载时每组采样机测值以及所述电流机测值表达式计算得到每组的电流机测值，根据每组的电流机测值和每组测得的电流表测值进行线性拟合，确定电流校准参数。

4.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，所述电流测量单元包括跟随运算放大器U1、跟随运算放大器U2、差分运算放大器U3、差分运算放大器U4、模数转换器ADC1和模数转换器ADC2；

所述跟随运算放大器U1的同相输入端连接所述电流采样电阻的第一端，所述跟随运算放大器U1的反相输入端连接所述跟随运算放大器U1的输出端，所述跟随运算放大器U1的输出端连接所述差分运算放大器U3的第一输入端，所述差分运算放大器U3的第二输入端连接接地端，所述差分运算放大器U3的输出端连接所述模数转换器ADC1，所述模数转换器ADC1连接所述控制单元；

所述跟随运算放大器U2的同相输入端连接所述电流采样电阻的第二端，所述跟随运算放大器U2的反相输入端连接所述跟随运算放大器U2的输出端，所述跟随运算放大器U2的输出端连接所述差分运算放大器U4的第一输入端，所述差分运算放大器U4的第二输入端连接接地端，所述差分运算放大器U4的输出端连接所述模数转换器ADC2，所述模数转换器ADC2连接所述控制单元。

5.根据权利要求4所述的电源装置，其特征在于，测量电流的计算公式为：

MI=kMI*[(VFB_RsH*Gain1*kRsH+bRsH)-(VFB_RsL*Gain2*kRsL+bRsL)]/Rs+bMI

其中，MI为测量电流，kMI、bMI、kRsH、bRsH、kRsL、bRsL为电流校准参数，VFB_RsH、VFB_RsL分别为模数转换器ADC1和模数转换器ADC2的采样机测值；Rs为电流采样电阻的标称值，Gain1为模数转换器ADC1所在链路的硬件增益，Gain2为模数转换器ADC2所在链路的硬件增益；VFB_RsH*Gain1*kRsH+bRsH和VFB_RsL*Gain2*kRsL+bRsL分别为电流采样电阻的第一端、第二端的对地电压机测值。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的电源装置，其特征在于，还包括：

HS电压测量单元，通过高端电压线HS连接到待测器件，检测所述高端电压线HS的对地电压，转换得到HS数字信号输送至控制单元；

LS电压测量单元，通过低端电压线LS连接到待测器件，检测所述低端电压线LS的对地电压，转换得到LS数字信号输送至控制单元；

所述控制单元还连接所述HS电压测量单元和所述LS电压测量单元，所述控制单元根据接收的HS数字信号和LS数字信号分析得到测量电压，根据所述测量电压进行反馈调节，输出控制信号至所述驱动单元调整所述激励信号的电压。

7.根据权利要求6所述的电源装置，其特征在于，所述控制单元根据所述HS电压测量单元和所述LS电压测量单元分别输出的HS数字信号和LS数字信号确定HS采样机测值和LS采样机测值，根据HS采样机测值、LS采样机测值以及设置的电压校准参数计算得到测量电压。

8.根据权利要求7所述的电源装置，其特征在于，万用表还用于分别检测高端电压线HS的对地电压表测值以及低端电压线LS的对地电压表测值；

在带载时所述控制单元控制驱动单元输出多组不同激励电流，分别实时获取HS采样机测值和LS采样机测值，通过万用表分别读取HS对地电压表测值和LS对地电压表测值，基于每组HS采样机测值和HS对地电压表测值进行线性拟合，以及基于每组LS采样机测值和LS对地电压表测值进行线性拟合，确定电压校准参数。

9.根据权利要求6所述的电源装置，其特征在于，

所述HS电压测量单元包括跟随运算放大器U5、差分运算放大器U6和模数转换器ADC3，所述跟随运算放大器U5的同相输入端连接高端电压线HS，所述跟随运算放大器U5的反相输入端连接所述跟随运算放大器U5的输出端，所述跟随运算放大器U5的输出端连接所述差分运算放大器U6的第一输入端，所述差分运算放大器U6的第二输入端连接接地端，所述差分运算放大器U6的输出端连接所述模数转换器ADC3，所述模数转换器ADC3连接所述控制单元；

所述LS电压测量单元包括跟随运算放大器U7、差分运算放大器U8和模数转换器ADC4，所述跟随运算放大器U7的同相输入端连接低端电压线LS，所述跟随运算放大器U7的反相输入端连接所述跟随运算放大器U7的输出端，所述跟随运算放大器U7的输出端连接所述差分运算放大器U8的第一输入端，所述差分运算放大器U8的第二输入端连接接地端，所述差分运算放大器U8的输出端连接所述模数转换器ADC4，所述模数转换器ADC4连接所述控制单元。

10.根据权利要求9所述的电源装置，其特征在于，测量电压的计算公式为：

MV=(VFB_HS*Gain3*kHS+bHS)-(VFB_LS*Gain4*kLS+bLS)

其中，MV为测量电压，kHS、bHS、kLS、bLS为电压校准参数，VFB_HS为模数转换器ADC3的HS采样机测值、VFB_LS为模数转换器ADC4的LS采样机测值；Gain3为模数转换器ADC3所在链路的硬件增益，Gain4为模数转换器ADC4所在链路的硬件增益；VFB_HS*Gain3*kHS+bHS和VFB_LS*Gain4*kLS+bLS分别为HS对地电压机测值、LS对地电压机测值。

11.一种电流测量单元的校准方法，其特征在于，应用于控制单元，数字差分采样电源装置包括驱动单元、电流测量单元、电流采样电阻和控制单元，所述电流测量单元连接电流采样电阻的两端，分别检测所述电流采样电阻两端的对地电压，转换得到第一数字信号和第二数字信号输送至所述控制单元；驱动单元通过高端电流线HF连接到待测器件，所述待测器件通过低端电流线LF连接到驱动单元内部接地端；所述电流采样电阻两端串接设置于高端电流线HF；该方法包括：

基于采样机测值和设置的电流校准参数计算得到测量电流，其中，采样机测值由所述控制单元根据所述电流测量单元输出的第一数字信号和第二数字信号分别确定。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，万用表用于分别检测电流采样电阻两端的对地电压表测值，以及检测流经电流采样电阻的电流；确定设置的电流校准参数包括：

在空载时所述控制单元控制驱动单元输出多组不同激励电压，分别实时根据电流测量单元输出的第一数字信号和第二数字信号确定采样机测值，通过所述万用表分别读取电流采样电阻两端的对地电压表测值，基于空载时每组测得的电流采样电阻的第一端的对地电压表测值和对应采样机测值进行线性拟合，以及基于空载时每组测得的电流采样电阻的第二端的对地电压表测值和对应的采样机测值进行线性拟合，确定电流机测值表达式；

在带载时所述控制单元控制驱动单元输出多组不同激励电流，分别实时根据电流测量单元输出的第一数字信号和第二数字信号确定对应的采样机测值，通过所述万用表读取流经电流采样电阻的电流表测值，基于带载时每组采样机测值以及所述电流机测值表达式计算得到每组的电流机测值，根据每组的电流机测值和每组测得的电流表测值进行线性拟合，确定电流校准参数。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，基于空载时每组测得的电流采样电阻的第一端的对地电压表测值和对应采样机测值进行线性拟合，以及基于空载时每组测得的电流采样电阻的第二端的对地电压表测值和对应的采样机测值进行线性拟合，确定电流机测值表达式，包括：

根据空载时每组测得的电流采样电阻的第一端的对地电压机测值、对地电压表测值进行一元线性拟合，得到电流校准参数kRsH、bRsH；

根据空载时每组测得的电流采样电阻的第二端的对地电压机测值、对地电压表测值进行一元线性拟合，得到电流校准参数kRsL、bRsL；

电流机测值表达式为：

MI机测值=[(VFB_RsH*Gain1*kRsH+bRsH)-(VFB_RsL*Gain2*kRsL+bRsL)]/Rs

其中，VFB_RsH、VFB_RsL分别为模数转换器ADC1和模数转换器ADC2的采样机测值，Rs为电流采样电阻的标称值，Gain1为模数转换器ADC1所在链路的硬件增益，Gain2为模数转换器ADC2所在链路的硬件增益；VFB_RsH*Gain1*kRsH+bRsH和VFB_RsL*Gain2*kRsL+bRsL分别为电流采样电阻的第一端、第二端的对地电压机测值。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，根据每组的电流机测值和每组测得的电流表测值进行线性拟合，确定电流校准参数，包括：

将每组计算得到的电流机测值和每组测得的电流表测值进行一元线性拟合，得到电流校准参数kMI、bMI；

测量电流MI的计算公式为：

MI=kMI*[(VFB_RsH*Gain1*kRsH+bRsH)-(VFB_RsL*Gain2*kRsL+bRsL)]/Rs+bMI。