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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)計驗證和生產(chǎn)過程中，對于耗電特性的測試需求也逐步加強(qiáng)。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/級到A/級的巨大起伏變化。傳統(tǒng)的測量方式（量程固定的電流探頭或者萬用表）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）帶來的分辨率/精度的限制以及更換量程時對測量結(jié)果帶來的不穩(wěn)定現(xiàn)象給動態(tài)電流測量帶來了極大的困難。

針對上面簡述的測試難題，是德科技提出了一體化的解決方案：

1、測試設(shè)備：

N6705C直流電源分析儀將多達(dá)4個先進(jìn)電源與數(shù)字萬用表、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，不需要搭建專門的測試電路并借助于其他的設(shè)備（比如電流探頭或者萬用表）來完成這項測試。它的前面板提供了專門的功能和測量鍵，因此不需要開發(fā)和調(diào)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(qiáng)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(fù)載變動的條件下提供穩(wěn)定無毛刺的電壓和電流輸出、快速的輸出調(diào)制，并可以同時進(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)行測量，保證得到更好的測量精度和測試效果，同時電源輸出不會受到任何影響。

圖 1 N6705C直流電源分析儀及N678x SMU模塊

2、核心功能：
(1)動態(tài)、連續(xù)測量uA到A/級的電流，無縫量程切換功能保證測量值連續(xù)，并提供更高精度。
(2)5us采樣間隔，200KHz采樣率，連續(xù)測量動態(tài)電流。
(3)兩象限工作模式，作為電源或電子負(fù)載使用。
(4)長時間數(shù)據(jù)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(shè)備。
(2)自動量程切換功能保證對動態(tài)電流的高精度連續(xù)測量。
(3)高品質(zhì)直流電源，測量過程不會對電源輸出產(chǎn)生任何影響。
(4)完整電流波形觀察，從nA/級到A/級電流完整呈現(xiàn)，耗電分析從未如此簡單。

二．測試實例

下面就以一個手機(jī)為待測件，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（虛線框為可選）：

圖 2 N6705C直流電源分析儀、PC軟件和被測件的連接示意圖

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(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；

(2)按下前面板輸出通道2對應(yīng)“On"鍵打開輸出電源輸出。
(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(jī)漏電流測量結(jié)果精度大幅度提高，此時的測試結(jié)果約為17uA。如下圖4所示。

　
圖 4 關(guān)機(jī)漏電流測量結(jié)果

2、動態(tài)電流波形的捕獲和測量
無線設(shè)備消耗的電流值動態(tài)變化范圍很大，隨時反應(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)測量方式在進(jìn)行動態(tài)電流測量時，無法在捕捉2A的最高電流峰值的同時，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(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)行電池耗電測試中，固定量程和無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(yīng)增大，導(dǎo)致測量精度和分辨率下降，小電流測量相對誤差很大，無法完成精確的測試。

• 在打開無縫量程切換功能后，在測量大電流的同時，對小電流部分進(jìn)行精確測量，測試量程自動切換，不會丟失數(shù)據(jù)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(shè)置值。
2) 按下“Scope View"鍵切換到示波器模式。
3) 按下“Properties"鍵打開“Scope Properties"窗口，如右下圖所示。

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，表示打開無縫量程切換功能。
注意:也可以通過鉤選屏幕上方的(V1,I1,V2,I2)的矩形框，直接在“Scope View"窗口完成與a.同樣的操作，首先通過方向鍵高亮相應(yīng)通道的電壓或電流框，然后通過按“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，并打開待測件。
5) 按下Trigger Level/Autoscale旋鈕，屏幕將根據(jù)電流值的大小自動選擇縱軸量程。
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)置時間軸上每格對應(yīng)的時間。
8) 等待一段時間后，手機(jī)進(jìn)入待機(jī)模式，此時電流值較為平穩(wěn)，可以得到類似右圖中的電流波形，波形中會有周期出現(xiàn)的電流脈沖，表示周期性的基站搜索。
9) 展開某一個電流脈沖，可以看到更詳細(xì)的細(xì)節(jié)信息，見圖7。

圖 7 示波器視圖捕捉動態(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Marker分別對應(yīng)的電壓/電流值，以及兩個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。

圖 8 用Marker讀某個時刻的電流值

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，并可回傳到PC中，通過Excel打開。
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，可以模擬實際電池內(nèi)阻對耗電測試的影響，見圖9。
a) 按下Settings按鍵，在Resistance中選擇Enable，打開內(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

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

3) 補(bǔ)償模式的選擇
如果在供電過程中發(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，輸出電壓出現(xiàn)跌落或過沖)，有可能是因為補(bǔ)償模式選擇的原因。可以嘗試選擇不同的補(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

三．結(jié)論

由以上實驗可以看到，N6705C配合N678x系列SMU模塊可以很方便的實現(xiàn)待測件電流的直流平均值以及動態(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：

KEYSIGHT N6705C 直流電源分析儀

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（需單獨訂購模塊）

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

• 安培計精度：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：測量間隔從 20 µs 到 60 s，每個數(shù)據(jù)記錄最多存儲 5 億個讀數(shù)

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