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Keysight:电路设计、工作模式与电池充放循环影响甚巨

时间:2016-11-14 11:15来源:Compotech 作者:任苙萍 点击:
安全电源量测○之电流波动
在额定电压下,物联网 (IoT) 装置的模块间工作电流往往得锱铢必较,以「奈米」尺度做计算,才能符合低噪声、低功耗需求 (P=I x V,功率为电流、电压乘积)。是德科技 (Keysight) 资深项目经理祁子年认为,这意谓装置在设计上除了减少电流消耗,也要顾及实际应用细节,这也为量测带来诸多挑战。他以无线医疗装置为例,因为电池的供电有限,又需透过蓝芽与智慧手机配对连结,电量掌握与数值读取格外重要;确保用户能如常追踪生理信息,供医师作为诊疗参考或在数据出现异常时自动上传。同时,了解电力消耗情况和剩余电量,知道何时该充电。
 
祁子年表示,电池供电的装置多会采用电源管理方案来节能,而等待逾时 (wait for timeout) 和休眠、待机的时间点拿捏、装置的灵活使用效率与电池续航力息息相关。对开发人员来说,利用示波器长时间记录电流变化,累积时间与电流数据做积分、仿真耗电情境,找出电流波动的峰值极限 (Peak limit) 是关键。若运作中的电流超出可输出的容量太多,装置的电力很快就会耗尽;而如何分析电流在实际情境下的脉冲、减少超标峰值出现机率、降低充放循环等,都有赖精确量测仪器做辅助。而一般分流器 (Shunt) 搭配数据撷取 (DAQ) 设备是最常见的简易量测方式,但却有以下诸多缺点。
 

照片人物:Keysight 资深项目经理祁子年
 
IoT 连网装置电流变动大,传统示波器难侦测
「使用分流器做电流转换的峰值电压容易出界,即使是一般直流电源,待测物的瞬时电压亦可能超出范围,须花费很多心力去选用不同的分流器、长时间记录需要编程和数据误差修正等」,祁子年一语道出问题点。他说明,传统测试设备大都有固定偏移误差,会限制电池的电流量测抽载讯号的表现。偏偏 IoT 连网装置的动态范围很大,连网瞬间的电流会急升至安培 (A) 等级,休眠时又回落至奈米安培 (nA);而一般示波器侦测到 100 微安培 (µA) 已是极限,且纵轴电流分辨率只有 8~10 位;加上选择适当分流以量测到极低电流,并在高电流下耐受负担电压几乎不可能,记录时间又不够长,根本不足以应对。
 
Keysight N6705B 直流电源分析仪,将逾 30 种不同供电模型、数字电压表/电表、任意波形产生器和示波器整合在一台单机上,在几分钟内就获得量测结果;而N6780A 系列的电池仿真器更特意拉开观测级距、单次量测就能同时看到 nA~A 极端宽幅变化,进一步改善电路设计。采用自有专利「无间断量测范围调整」技术,N6780A 只须单次量测即可分析装置关机、休眠及传输模式的电流,省去执行多次量测扫描的麻烦。不过,如 N6784A 等 SMU 仅能仿真静态状况,无法捕捉昙花一现的波动。
 

图1:Keysight N6705B 直流电源分析仪
数据源:Keysight 官网
 
表:适用于 N6700 模块化电源系统

产品型号

功能说明

N6781A

II 象限电源量测设备,适用于电池耗电分析 (20 W)

N6782A

II 象限电源量测模块,适用于功能测试 (20 W)

N6784A

IV 象限通用型电源量测模块 (20 W)

N6785A

II 象限电源量测设备,适用于电池耗电分析 (80 W)

N6786A

II 象限电源量测模块,适用于功能测试 (80 W)

数据源:Keysight 官网
 
「电源供应器」动态仿真电池行为
此时,可模拟电池行为、经由电流—电压对照表换算电量 (单位:库伦 Coulomb,符号C) 的「电源供应器」(Power Supply),便派上用场,但前提是速度要够快,否则仍无法抓到瞬时波形。「除了电流,启动时序亦动见观瞻,因为装置里的众多模块可能不只吃一个电源,必须留意其间的交互作用」,祁子年强调。他举例,手机或平板计算机就是典型的多任务装置,为尽可能延长工作时数,CPU、内存和显示器的功耗须个别记录,以估算瞬间最大耗电,进而透过电源管理单元 (PMU) 智能关闭部分系统。
 
他还提到,电池充放电是以零电量充饱至 100% 为一个循环 (从 0.3V 充至 4.2V);电量用罄时,一开始充电的电流不能太大、速度不能过快,否则有爆掉风险。据研究,从 30% 上升到 80% 是充电最快的阶段。基于上述原则,用以记录电池充电循环及特性,并进行充、放电仿真的电源管理芯片 (PMIC) 扮演举足轻重的角色。祁子年归纳,电源供应器的作用在于:1.模拟充、放电过程因内阻而引起的电压下降;2.兼具示波器与任意波形产生器功能;3.允许编程,给定测试条件;而任意波形的最大好处就是可以重现电源时序并可「重复验证」。
 
量测电流、功耗之余,亦可反向评估效能
N6780 可程控输出电阻、准确模拟电池供电,提供稳定无突波的电源并汲入电流 (充电/电子负载);其数字转换器每隔 5 微秒 (更新率为 200 kHz) 便可量测、记录,并供应电压、电流,分辨率为 18~28 位。搭配 14585A 软件即具示波器、数据记录器和 CCDF (互补累进分布函数) 功能,方便查看、分析短期与长期功耗状态,包括一闪而过的细微异样。事实上,它不只有 I、II 第一象限的正向供电及负载功能,亦能切换至压降补偿模式、零负担电压分流的「电表」模式 (如图 3 所示),执行耗电测试以评估装置的实际效能表现。
 

图2:N6781A / 82A / 84A 效能规格特性
数据源:Keysight 官网
 

图3:一般电表、示波器测试电流时,待测物会有电压压降反应
数据源:Keysight 提供
 
随着低功耗期望不断升高,藉量测电流波形、准确预估低位准电流及功耗似乎也被列入常规任务,但背景噪声和有限频寛却常是量化评估、呈现清晰波形的障碍。Keysight CX3300 系列「组件电流波形分析仪」有三种电流传感器,可检测 100 pA ~ 10 A、最大带宽 200 MHz 的不同动态电流位准,在单次量测实现 5 倍频的动态范围量测,量测功率和电流分布;亦可使用被动式探棒转接器量测动态电压波形,据以计算并显示功耗波形。它内建自动电源/电流特性分析、功率量测精灵、FFT 分析仪与统计分析等功能,可加速分析量测资料,无需求助外部程序等,可以用作「超低动态电流测试」的平台。
 

图4:CX3300 系列组件电流波形分析仪的所有主机,都具有频谱和统计等分析功能
数据源:Keysight 官网
 
(责任编辑:helen)
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