隨著(zhù)越
一．概述
隨著(zhù)便攜式電子產(chǎn)品應用日益廣泛和功能不斷增強，在設備研發(fā)、設計驗證和生產(chǎn)過(guò)程中，對于耗電特性的測試需求也逐步加強。通常情況下耗電性能的測試方法是連接電源進(jìn)行供電，再將萬(wàn)用表串聯(lián)接入供電環(huán)路或者用電流探頭進(jìn)行電流測量。而實(shí)際情況中，為了節省有限的電池電量，設備絕大多數時(shí)間處于待機或者休眠狀態(tài)，只有在接受到命令后才進(jìn)入工作狀態(tài)，這造成了設備的耗電電流出現從nA或uA/級到A/級的巨大起伏變化。傳統的測量方式（量程固定的電流探頭或者萬(wàn)用表）很難測試這種大范圍變化的電流波形。固定量程（尤其是在比較大的量程下）帶來(lái)的分辨率/精度的限制以及更換量程時(shí)對測量結果帶來(lái)的不穩定現象給動(dòng)態(tài)電流測量帶來(lái)了極大的困難。
針對上面簡(jiǎn)述的測試難題，是德科技提出了一體化的解決方案：
1、測試設備：
N6705C直流電源分析儀將多達4個(gè)先進(jìn)電源與數字萬(wàn)用表、示波器、任意波形發(fā)生器和Datalogger特性融為一體，可以顯著(zhù)提高向被測件提供直流電壓和電流以及進(jìn)行測量的效率。N6705C可獨立測量被測件的電流，不需要搭建專(zhuān)門(mén)的測試電路并借助于其他的設備（比如電流探頭或者萬(wàn)用表）來(lái)完成這項測試。它的前面板提供了專(zhuān)門(mén)的功能和測量鍵，因此不需要開(kāi)發(fā)和調試程序即可控制儀器組合并進(jìn)行有效的測量。它還可與14585A控制和分析軟件一起使用，獲得更強大的控制和分析功能。
Keysight N678x系列電源/測量單元具有先進(jìn)的特性和精確的控制功能，可測量電壓以及低至微安和毫微安的電流。并且N678x可以在高速負載變動(dòng)的條件下提供穩定無(wú)毛刺的電壓和電流輸出、快速的輸出調制，并可以同時(shí)進(jìn)行高速電壓和電流測量。其中，N6781A和N6782A均支持是德科技技術(shù)“無(wú)縫量程切換"，它可以根據電流的大小，同步選擇更合適的量程進(jìn)行測量，保證得到更好的測量精度和測試效果，同時(shí)電源輸出不會(huì )受到任何影響。
2、核心功能：
(1)動(dòng)態(tài)、連續測量uA到A/級的電流，無(wú)縫量程切換功能保證測量值連續，并提供更高精度。
(2)5us采樣間隔，200KHz采樣率，連續測量動(dòng)態(tài)電流。
(3)兩象限工作模式，作為電源或電子負載使用。
(4)長(cháng)時(shí)間數據記錄能力。
3、優(yōu)勢：
(1)不需要使用電流探頭或額外的電流測量設備。
(2)自動(dòng)量程切換功能保證對動(dòng)態(tài)電流的高精度連續測量。
(3)高品質(zhì)直流電源，測量過(guò)程不會(huì )對電源輸出產(chǎn)生任何影響。
(4)完整電流波形觀(guān)察，從nA/級到A/級電流完整呈現，耗電分析從未如此簡(jiǎn)單。
二．測試實(shí)例
下面就以一個(gè)手機為待測件，用N6705C+N6781A分析一下它的耗電性能。
設備：
• N6705C直流電源分析儀主機機箱
• N6781A SMU源表模塊，安裝在輸出通道2連接圖如下（虛線(xiàn)框為可選）：
1、直流平均值測量
(1)使用方向鍵將電源輸出通道2的電壓/電流欄高亮，使用數字鍵盤(pán)輸入所需要的電壓值或電流值，如圖3所示。輸入后按“Enter"鍵結束：Output2: 3.7V,1A；
(2)按下前面板輸出通道2對應“On"鍵打開(kāi)輸出電源輸出。
(3)在屏幕中顯示的電流值即是通道2的輸出電流平均值，在手機關(guān)機狀態(tài)下，顯示的關(guān)機漏電流值大約為-0.10mA。
(4)為提高測量精度，在前面板按下Properties按鍵，選擇合適的電流量程(1mA)進(jìn)行測量。
(5)在1mA量程下，可以看到關(guān)機漏電流測量結果精度大幅度提高，此時(shí)的測試結果約為17uA。如下圖4所示。
2、動(dòng)態(tài)電流波形的捕獲和測量
無(wú)線(xiàn)設備消耗的電流值動(dòng)態(tài)變化范圍很大，隨時(shí)反應設備當前的工作狀態(tài)：
通常在睡眠模式下，典型耗電值在100uA到mA
通常在接收模式下，典型耗電值在100mA到200mA
通常在發(fā)射模式下，典型耗電值在1A到2A
傳統測量方式在進(jìn)行動(dòng)態(tài)電流測量時(shí)，無(wú)法在捕捉2A的最高電流峰值的同時(shí)，精確記錄下100uA左右的休眠電流。這是因為測量單元的量化比特數有限，大的量程意味著(zhù)更差的分辨率。下圖5的例子是用14585A控制分析軟件進(jìn)行電池耗電測試中，固定量程和無(wú)縫量程切換功能的對比。
在3A固定量程下，由于量程較大，量化誤差相應增大，導致測量精度和分辨率下降，小電流測量相對誤差很大，無(wú)法完成精確的測試。
在打開(kāi)無(wú)縫量程切換功能后，在測量大電流的同時(shí)，對小電流部分進(jìn)行精確測量，測試量程自動(dòng)切換，不會(huì )丟失數據或影響電源輸出。
測試步驟如下：
1) 使用與平均值測試相同的電壓/電流設置值。
2) 按下“Scope View"鍵切換到示波器模式。
3) 按下“Properties"鍵打開(kāi)“Scope Properties"窗口，如右下圖所示。
a.設置Display trace為“I2"，表示顯示2通道電流波形。
b.Scope Range選擇Auto，表示打開(kāi)無(wú)縫量程切換功能。
注意:也可以通過(guò)鉤選屏幕上方的(V1,I1,V2,I2)的矩形框，直接在“Scope View"窗口完成與a.同樣的操作，首先通過(guò)方向鍵高亮相應通道的電壓或電流框，然后通過(guò)按“Enter"鍵鉤選你所要顯示的波形。
4) 再次按下“Scope View"鍵返回示波器窗口，并打開(kāi)待測件。
5) 按下Trigger Level/Autoscale旋鈕，屏幕將根據電流值的大小自動(dòng)選擇縱軸量程。
6) 旋轉“Vertical Offset"旋鈕可設置Offset曲線(xiàn)位于屏幕正中。
7) 旋轉“Time/Div"旋鈕可設置時(shí)間軸上每格對應的時(shí)間。
8) 等待一段時(shí)間后，手機進(jìn)入待機模式，此時(shí)電流值較為平穩，可以得到類(lèi)似右圖中的電流波形，波形中會(huì )有周期出現的電流脈沖，表示周期性的基站搜索。
9) 展開(kāi)某一個(gè)電流脈沖，可以看到更詳細的細節信息，見(jiàn)圖7。
10) 再次按“Scope View"鍵進(jìn)入Marker操作窗口。
11) 旋轉Marker1/Marker2對應的旋鈕，使Marker進(jìn)入主屏幕。
12) 在屏幕下端可以讀到兩個(gè)Marker分別對應的電壓/電流值，以及兩個(gè)Marker之間的最大值/最小值/差值/平均值，在屏幕上直接完成測量，如下圖8。
13) 按下“File"鍵進(jìn)入文件菜單，再按下“Screen Capture"鍵進(jìn)入波形捕獲模式，設置保存文件名稱(chēng)，可以將當前的電壓電流波形以Gif格式保存。
14) 按下“File"鍵進(jìn)入文件菜單，再按下“Export"鍵進(jìn)入數據導出菜單，在“Type"項中選擇“ScopeData(.csv)"，設置保存文件名稱(chēng)，可以將當前的電壓電流波形以數據的形式保存下來(lái)，并可回傳到PC中，通過(guò)Excel打開(kāi)。
3、其他功能
1) 電池內阻仿真
N6781A支持電池內阻仿真功能，可以模擬實(shí)際電池內阻對耗電測試的影響，見(jiàn)圖9。
a) 按下Settings按鍵，在Resistance中選擇Enable，打開(kāi)內阻仿真功能，并填入相應的電池內阻值。
2) 兩線(xiàn)供電與四線(xiàn)供電
四線(xiàn)供電模式可以消除引線(xiàn)電阻上電壓降的影響，使電源的供電和測量更加準確。
a) 在Setting界面下方選擇Advanced菜單可以進(jìn)入高級菜單，在Sense菜單下可以選擇兩線(xiàn)或四線(xiàn)供電。
3) 補償模式的選擇
如果在供電過(guò)程中發(fā)現電壓不穩定現象(輸出電壓起震，或者在脈沖電流出現時(shí)，輸出電壓出現跌落或過(guò)沖)，有可能是因為補償模式選擇的原因?？梢試L試選擇不同的補償模式以改善電壓不穩定的現象。
a) 在Setting界面下方選擇Advanced菜單可以進(jìn)入高級菜單，在Output Voltage Bandwidth菜單下可以選擇輸出電壓的補償模式。
三．結論
由以上實(shí)驗可以看到，N6705C配合N678x系列SMU模塊可以很方便的實(shí)現待測件電流的直流平均值以及動(dòng)態(tài)特性的高精度分析，不需要額外的設備輔助即可以完成供電和測試，給耗電性能研究提供了很大的便利。
附錄
1、N6781A/N6782A在各量程下的測試精度：
4 插槽主機最多可安裝 4 個(gè)模塊，總功率高達 600 W。有 30 多款直流電源模塊可供選擇（需單獨訂購模塊）
電壓表精度：高達 0.025% + 50 µV，高達 18 位
安培計精度：高達 0.025% + 8 nA，高達 18 位
任意波形發(fā)生器功能：帶寬高達 100 kHz，輸出功率高達 500 W
示波器功能：可對電壓和電流進(jìn)行數字化處理，200 kHz，512 kpts，高達 18 位
數據記錄儀功能：測量間隔從 20 µs 到 60 s，每個(gè)數據記錄最多存儲 5 億個(gè)讀數
4 GB 非易失性數據存儲器，用于存儲數據記錄、示波器跡線(xiàn)、儀器設置
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