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用N678x系列源表模塊測(cè)試耗電性能

來(lái)源:深圳市儀寶科技有限公司   2024年03月07日 10:34  

隨著越

一.概述


隨著便攜式電子產(chǎn)品應(yīng)用日益廣泛和功能不斷增強(qiáng),在設(shè)備研發(fā)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和生產(chǎn)過(guò)程中,對(duì)于耗電特性的測(cè)試需求也逐步加強(qiáng)。通常情況下耗電性能的測(cè)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(cè)量。而實(shí)際情況中,為了節(jié)省有限的電池電量,設(shè)備絕大多數(shù)時(shí)間處于待機(jī)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(shè)備的耗電電流出現(xiàn)從nA或uA/級(jí)到A/級(jí)的巨大起伏變化。傳統(tǒng)的測(cè)量方式(量程固定的電流探頭或者萬(wàn)用表)很難測(cè)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(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的不穩(wěn)定現(xiàn)象給動(dòng)態(tài)電流測(cè)量帶來(lái)了極大的困難。

針對(duì)上面簡(jiǎn)述的測(cè)試難題,是德科技提出了一體化的解決方案:

1、測(cè)試設(shè)備:

N6705C直流電源分析儀將多達(dá)4個(gè)先進(jìn)電源與數(shù)字萬(wàn)用表、示波器、任意波形發(fā)生器和Datalogger特性融為一體,可以顯著提高向被測(cè)件提供直流電壓和電流以及進(jìn)行測(cè)量的效率。N6705C可獨(dú)立測(cè)量被測(cè)件的電流,不需要搭建專門的測(cè)試電路并借助于其他的設(shè)備(比如電流探頭或者萬(wàn)用表)來(lái)完成這項(xiàng)測(cè)試。它的前面板提供了專門的功能和測(cè)量鍵,因此不需要開(kāi)發(fā)和調(diào)試程序即可控制儀器組合并進(jìn)行有效的測(cè)量。它還可與14585A控制和分析軟件一起使用,獲得更強(qiáng)大的控制和分析功能。

Keysight N678x系列電源/測(cè)量單元具有先進(jìn)的特性和精確的控制功能,可測(cè)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(fù)載變動(dòng)的條件下提供穩(wěn)定無(wú)毛刺的電壓和電流輸出、快速的輸出調(diào)制,并可以同時(shí)進(jìn)行高速電壓和電流測(cè)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(jù)電流的大小,同步選擇更合適的量程進(jìn)行測(cè)量,保證得到更好的測(cè)量精度和測(cè)試效果,同時(shí)電源輸出不會(huì)受到任何影響。

圖 1 N6705C直流電源分析儀及N678x SMU模塊
圖 1 N6705C直流電源分析儀及N678x SMU模塊



2、核心功能:
(1)動(dòng)態(tài)、連續(xù)測(cè)量uA到A/級(jí)的電流,無(wú)縫量程切換功能保證測(cè)量值連續(xù),并提供更高精度。
(2)5us采樣間隔,200KHz采樣率,連續(xù)測(cè)量動(dòng)態(tài)電流。
(3)兩象限工作模式,作為電源或電子負(fù)載使用。
(4)長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)記錄能力。

3、優(yōu)勢(shì):
(1)不需要使用電流探頭或額外的電流測(cè)量設(shè)備。
(2)自動(dòng)量程切換功能保證對(duì)動(dòng)態(tài)電流的高精度連續(xù)測(cè)量。
(3)高品質(zhì)直流電源,測(cè)量過(guò)程不會(huì)對(duì)電源輸出產(chǎn)生任何影響。
(4)完整電流波形觀察,從nA/級(jí)到A/級(jí)電流完整呈現(xiàn),耗電分析從未如此簡(jiǎn)單。

二.測(cè)試實(shí)例


下面就以一個(gè)手機(jī)為待測(cè)件,用N6705C+N6781A分析一下它的耗電性能。
設(shè)備:
• N6705C直流電源分析儀主機(jī)機(jī)箱
• N6781A SMU源表模塊,安裝在輸出通道2連接圖如下(虛線框?yàn)榭蛇x):

圖 2 N6705C直流電源分析儀、PC軟件和被測(cè)件的連接示意圖
圖 2 N6705C直流電源分析儀、PC軟件和被測(cè)件的連接示意圖



1、直流平均值測(cè)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(shù)字鍵盤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(jié)束:Output2: 3.7V,1A;

用N678x系列源表模塊測(cè)試耗電性能


(2)按下前面板輸出通道2對(duì)應(yīng)“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(jī)關(guān)機(jī)狀態(tài)下,顯示的關(guān)機(jī)漏電流值大約為-0.10mA。
(4)為提高測(cè)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(cè)量。
(5)在1mA量程下,可以看到關(guān)機(jī)漏電流測(cè)量結(jié)果精度大幅度提高,此時(shí)的測(cè)試結(jié)果約為17uA。如下圖4所示。

圖 4 關(guān)機(jī)漏電流測(cè)量結(jié)果 圖 4 關(guān)機(jī)漏電流測(cè)量結(jié)果
圖 4 關(guān)機(jī)漏電流測(cè)量結(jié)果


2、動(dòng)態(tài)電流波形的捕獲和測(cè)量
無(wú)線設(shè)備消耗的電流值動(dòng)態(tài)變化范圍很大,隨時(shí)反應(yīng)設(shè)備當(dāng)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(tǒng)測(cè)量方式在進(jìn)行動(dòng)態(tài)電流測(cè)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?yàn)闇y(cè)量單元的量化比特?cái)?shù)有限,大的量程意味著更差的分辨率。下圖5的例子是用14585A控制分析軟件進(jìn)行電池耗電測(cè)試中,固定量程和無(wú)縫量程切換功能的對(duì)比。

  • 在3A固定量程下,由于量程較大,量化誤差相應(yīng)增大,導(dǎo)致測(cè)量精度和分辨率下降,小電流測(cè)量相對(duì)誤差很大,無(wú)法完成精確的測(cè)試。

  • 在打開(kāi)無(wú)縫量程切換功能后,在測(cè)量大電流的同時(shí),對(duì)小電流部分進(jìn)行精確測(cè)量,測(cè)試量程自動(dòng)切換,不會(huì)丟失數(shù)據(jù)或影響電源輸出。


測(cè)試步驟如下:
1) 使用與平均值測(cè)試相同的電壓/電流設(shè)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。

圖 6 Scope Properties
圖 6 Scope Properties


a.設(shè)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(yīng)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(cè)件。
5) 按下Trigger Level/Autoscale旋鈕,屏幕將根據(jù)電流值的大小自動(dòng)選擇縱軸量程。
6) 旋轉(zhuǎn)“Vertical Offset”旋鈕可設(shè)置Offset曲線位于屏幕正中。
7) 旋轉(zhuǎn)“Time/Div”旋鈕可設(shè)置時(shí)間軸上每格對(duì)應(yīng)的時(shí)間。
8) 等待一段時(shí)間后,手機(jī)進(jìn)入待機(jī)模式,此時(shí)電流值較為平穩(wěn),可以得到類似右圖中的電流波形,波形中會(huì)有周期出現(xiàn)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(xì)的細(xì)節(jié)信息,見(jiàn)圖7。

圖 7 示波器視圖捕捉動(dòng)態(tài)電流
圖 7 示波器視圖捕捉動(dòng)態(tài)電流


10) 再次按“Scope View”鍵進(jìn)入Marker操作窗口。
11) 旋轉(zhuǎn)Marker1/Marker2對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(cè)量,如下圖8。

圖 8 用Marker讀某個(gè)時(shí)刻的電流值
圖 8 用Marker讀某個(gè)時(shí)刻的電流值


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(shè)置保存文件名稱,可以將當(dāng)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(shù)據(jù)導(dǎo)出菜單,在“Type”項(xiàng)中選擇“ScopeData(.csv)”,設(shè)置保存文件名稱,可以將當(dāng)前的電壓電流波形以數(shù)據(jù)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(nèi)阻仿真
N6781A支持電池內(nèi)阻仿真功能,可以模擬實(shí)際電池內(nèi)阻對(duì)耗電測(cè)試的影響,見(jiàn)圖9。
a) 按下Settings按鍵,在Resistance中選擇Enable,打開(kāi)內(nèi)阻仿真功能,并填入相應(yīng)的電池內(nèi)阻值。

圖 9 電池內(nèi)阻仿真功能
圖 9 電池內(nèi)阻仿真功能


2) 兩線供電與四線供電
四線供電模式可以消除引線電阻上電壓降的影響,使電源的供電和測(cè)量更加準(zhǔn)確。
a) 在Setting界面下方選擇Advanced菜單可以進(jìn)入高級(jí)菜單,在Sense菜單下可以選擇兩線或四線供電。

圖 10 兩線模式與四線模式
圖 10 兩線模式與四線模式


3) 補(bǔ)償模式的選擇
如果在供電過(guò)程中發(fā)現(xiàn)電壓不穩(wěn)定現(xiàn)象(輸出電壓起震,或者在脈沖電流出現(xiàn)時(shí),輸出電壓出現(xiàn)跌落或過(guò)沖),有可能是因?yàn)檠a(bǔ)償模式選擇的原因??梢試L試選擇不同的補(bǔ)償模式以改善電壓不穩(wěn)定的現(xiàn)象。
a) 在Setting界面下方選擇Advanced菜單可以進(jìn)入高級(jí)菜單,在Output Voltage Bandwidth菜單下可以選擇輸出電壓的補(bǔ)償模式。

圖 11 補(bǔ)償模式選擇
圖 11 補(bǔ)償模式選擇



三.結(jié)論


由以上實(shí)驗(yàn)可以看到,N6705C配合N678x系列SMU模塊可以很方便的實(shí)現(xiàn)待測(cè)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(shè)備輔助即可以完成供電和測(cè)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(cè)試精度:

N6781A/N6782A在各量程下的測(cè)試精度



KEYSIGHT N6705C 直流電源分析儀

型  號(hào):N6705C
名  稱:直流電源分析儀
品  牌:是徳(KEYSIGHT)
分  類:通用電子測(cè)試 > 專用分析儀 > 直流電源分析儀
產(chǎn)品屬性:主機(jī)
簡(jiǎn)  述:

N6705C 直流電源分析儀將多達(dá) 4 個(gè)先進(jìn)電源與數(shù)字萬(wàn)用表、示波器、任意波形發(fā)生器和數(shù)據(jù)記錄儀功能融為一體,可以顯著提高為被測(cè)器件提供和測(cè)量直流電壓和電流的效率。

N6705C 直流電源分析儀 主要特性與技術(shù)指標(biāo)


  • 4 插槽主機(jī)最多可安裝 4 個(gè)模塊,總功率高達(dá) 600 W。有 30 多款直流電源模塊可供選擇(需單獨(dú)訂購(gòu)模塊)

  • 電壓表精度:高達(dá) 0.025% + 50 µV,高達(dá) 18 位

  • 安培計(jì)精度:高達(dá) 0.025% + 8 nA,高達(dá) 18 位

  • 任意波形發(fā)生器功能:帶寬高達(dá) 100 kHz,輸出功率高達(dá) 500 W

  • 示波器功能:可對(duì)電壓和電流進(jìn)行數(shù)字化處理,200 kHz,512 kpts,高達(dá) 18 位

  • 數(shù)據(jù)記錄儀功能:測(cè)量間隔從 20 µs 到 60 s,每個(gè)數(shù)據(jù)記錄最多存儲(chǔ) 5 億個(gè)讀數(shù)

  • 4 GB 非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)記錄、示波器跡線、儀器設(shè)置




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