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技術方案

功耗分析測試概況

目前,世上萬物的互聯程度越來越高。大量傳感器和物聯網 (IoT) 設備被用于工廠和家居領域。其中的許多產品使用低電壓、低電流、可充電或不可充電的小型電池。

考慮到高昂的更換成本和環境問題,電池需要具備較長的使用壽命。設計和選擇 IoT 設備時,電池使用壽命是一個重要因素。隨著萬物互聯程度越來越高,用戶的待機需求越來越高,用電設備的功耗分析,也變得越加重要。

功耗測試的特性與挑戰

IoT 設備絕大多數時間處于休眠狀態,電流能耗低,當設備運行或通信時,電流能耗大,并且電流波形多樣復雜,會在休眠狀態和工作狀態來回切換,電流從幾 mA 到幾百 mA 來回快速切換。

IoT 設備特性及測試挑戰:

?特性 1. 有些 IoT 設備擁有高達 15 種不同的休眠模式,取決于該設備正在處理的工作,某些特定的組件是否參與工作。

測試挑戰 1:要求電源具有寬電流動態范圍,從幾 nA 到幾 A,以涵蓋 DUT 的休眠模式和工作模式。

?特性 2. IoT 設備模式轉換速度快。

測試挑戰 2:需要快速的負載恢復時間,以滿足 DUT 的快速切換需求。

需要足夠高的采樣速率以測量 DUT 較快的變化。

?特性 3. 精確測量在低電壓與低電流狀態下的 IoT 設備的真實功耗。

測試挑戰 3:要求電源具有高精度,并且可以得到長時間/高采樣率數據記錄以便后續分析。

?特性 4. 系統紋波噪聲很可能蓋過微小的電壓與電流信號,所以除了測量信號本身之外,還需要測量噪聲。

測試挑戰 4:要求電源具有低紋波噪聲與線性結構。

?特性 5. IoT 工作電壓會低至+0.5 V dc,休眠時電壓較低,特別是長時間休眠狀態。

測試挑戰 5:要求電源具有遠程監控。

?特性 6. IoT 設備器件對電流敏感,電流的過沖容易導致設備敏感器件損壞。

測試挑戰 6:要求電源具有較低的電流過沖與較快的恢復能力。

?特性 7. IoT 設備工作時無法直接將測試引線連接到 IC,測試結果波形會受 IoT 設備的輸入電容影響。

測試挑戰 7:要求電源具有電容補償能力。

羅德與施瓦茨解決方案

現代直流電源具備高級性能和高精度測量功能,使用簡單且經濟實惠,適用于此類測量任務。R&S?NGL200、R&S?NGM200 和 R&S?NGU201 專用電源與 SMU 具備出色的分辨率。R&S?NGU201 系列的分辨率可達 1uV/100pA,能夠進行準確測量,輕松滿足目前 IoT 設備標準的相關要求。

針對前文所提測試挑戰,羅德與施瓦茨解決方案如下:

?測試挑戰 1:要求電源具有寬電流動態范圍,從幾 nA 到幾 A,以涵蓋 DUT 的休眠模式和工作模式。

羅德與施瓦茨解決方案 1:R&S 專業電源具有足夠寬的電流動態范圍,R&S?NGU201 的電流范圍從-8A~+8A,分辨率高達 100pA,足以涵蓋 DUT 的休眠模式和工作模式。

圖 1 R&S NGU201 回讀分辨率表格

?測試挑戰 2:需要快速的負載恢復時間,以滿足 DUT 的快速切換需求。需要足夠高的采樣速率以測量DUT快速的變化。

羅德與施瓦茨解決方案 2:R&S 專業電源依賴先進的線性設計,負載響應恢復實際可以低至 30us 以內,相對于傳統電源,不論是電壓過沖還是電壓跌落還是恢復時間,都有較大的提升。

圖 2 R&S 專業電源負載恢復響應電壓波形與普通電壓的對比

?測試挑戰 3:要求電源具有高精度,并且可以得到長時間/高采樣率數據記錄以便后續分析。

羅德與施瓦茨解決方案 3:羅德與施瓦茨專業性電源分辨率可達 6.5 位,R&S?NGU201 電流回讀精度可達<0.025%+15nA,可滿足 uA 級別的 IoT 設備功耗分析。

圖 3 R&S?NGU201 電流回讀精度表格

R&S 專業型電源的數據記錄采樣率可高達 500kSa/s,可每 2us 記錄一組電壓/電流值,記錄結果可保存在外插的 U 盤中,也可通過免費上位機軟件存儲在電腦上,滿足用戶長時間/高采樣率數據記錄需求,面對短時間的異常,也可順利捕獲。

圖 4 R&S 專業電源 FastLog 采樣率對比通用電源標準采樣率

?測試挑戰 4:要求電源具有低紋波噪聲與線性結構。

羅德與施瓦茨解決方案 4:羅德與施瓦茨專業型電源采用先進的線性結構設計,紋波噪聲低至<500uV,滿足苛刻的紋波噪聲供電需求。

圖 5 R&S 專用電源紋波噪聲實測值為 273uV

?測試挑戰 5:要求電源具有遠程監控。

羅德與施瓦茨解決方案 5:羅德與施瓦茨電源均支持 SCPI 程控指令,支持各種主流開發工具,支持通用的USB、LAN、GPIB 等接口外,還可支持 WLAN, 數字 I/O 接口。

?測試挑戰 6:要求電源具有較低的電流過沖與較快的恢復能力。

羅德與施瓦茨解決方案 6:R&S?NGU 系列電源具有電流有些模式,相比傳統電源的電壓優先模式,電流優先模式將電流的過沖壓制到較小,恢復時間快,適合電流敏感元器件,是保護 DUT 的正確選擇。

圖 6 R&S 專用電源電流優先模式對比傳統電源電壓優先模式

? 測試挑戰 7:要求電源具有電容補償能力。

羅德與施瓦茨解決方案 7:R&S?NGU 系列電源具有高電容補償模式,可補償 DUT 輸入端的電容,補償步驟可調,從 1μF 到 100μF。

圖 7 R&S 專用電源高電容模式對比標準模式

綜上所述,羅德與施瓦茨專用電源的高純度、高精度、高速度以及獨特的測量、分析功能,可在現代化功耗分析測試中,為用戶提供強而有力的武器,事半功倍。


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