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

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

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；

(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

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

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

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

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

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

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

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。

四. 附錄

請(qǐng)注意：10uA量程仍需要手動(dòng)切換，可以測(cè)量nA級(jí)別電流值，主要用于漏電流測(cè)試。

2、14585A控制和分析軟件：
Keysight 14585A控制和分析軟件用于控制N6705C直流電源分析儀的高級(jí)功能，并分析來(lái)自N6705C的數(shù)據(jù)。該軟件的操作與PC控制類似，可用于控制任意一款安裝在N6705C主機(jī)中的N6700系列直流電源模塊（共計(jì)36款）。
14585A軟件可以同時(shí)控制多達(dá)4個(gè)主機(jī)，而N6705C可以安裝4個(gè)直流電源模塊，這意味著該軟件可以同時(shí)控制多達(dá)16路電源。根據(jù)您的應(yīng)用，該軟件可以執(zhí)行基礎(chǔ)或精確的波形捕獲、長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)記錄或任意波形生成任務(wù)，最多可同時(shí)支持16路電源。安裝N6781A SMU情況下，該軟件可以執(zhí)行CCDF統(tǒng)計(jì)分析等高級(jí)電池耗電分析。14585A軟件提供免費(fèi)下載。但是，該軟件與N6705C直流電源分析儀主機(jī)連接時(shí)需要許可證。許可證存放于N6705C中（不在PC中），由主機(jī)序列號(hào)指定。

3、是德科技技術(shù)：無(wú)縫測(cè)量范圍切換
無(wú)縫測(cè)量范圍切換可以克服動(dòng)態(tài)電流測(cè)量的難題。使用無(wú)縫測(cè)量范圍切換，工程師能夠?qū)?dòng)態(tài)電流進(jìn)行精密測(cè)量，不會(huì)造成測(cè)量的故障或中斷。當(dāng)被測(cè)件的電流消耗發(fā)生變化時(shí)，SMU可以自動(dòng)并即時(shí)地識(shí)別出哪個(gè)電流測(cè)量范圍能夠返回最精密的測(cè)量結(jié)果，進(jìn)而立即切換到該范圍。與SMU內(nèi)置18位數(shù)字轉(zhuǎn)換器結(jié)合使用，無(wú)縫測(cè)量范圍切換可以達(dá)到空前高效的28位垂直分辨率。這將顯著提高用戶的工作效率并可對(duì)功耗進(jìn)行深入研究。工程師能夠逐個(gè)圖片地觀察以往從未見(jiàn)過(guò)的完整電流波形（從nA至A）。