用N678x系列源表模块测试耗电性能

一．概述

随着便携式电子产品应用日益广泛和功能不断增强，在设备研发、设计验证和生产过程中，对于耗电特性的测试需求也逐步加强。通常情况下耗电性能的测试方法是连接电源进行供电，再将万用表串联接入供电环路或者用电流探头进行电流测量。而实际情况中，为了节省有限的电池电量，设备绝大多数时间处于待机或者休眠状态，只有在接受到命令后才进入工作状态，这造成了设备的耗电电流出现从nA或uA级到A级的巨大起伏变化。传统的测量方式（量程固定的电流探头或者万用表）很难测试这种大范围变化的电流波形。固定量程（尤其是在比较大的量程下）带来的分辨率/精度的限制以及更换量程时对测量结果带来的不稳定现象给动态电流测量带来了极大的困难。

针对上面简述的测试难题，是德科技提出了一体化的解决方案：

1、测试设备：

N6705C直流电源分析仪将多达4个先进电源与数字万用表、示波器、任意波形发生器和Datalogger特性融为一体，可以显著提高向被测件提供直流电压和电流以及进行测量的效率。N6705C可独立测量被测件的电流，不需要搭建专门的测试电路并借助于其他的设备（比如电流探头或者万用表）来完成这项测试。它的前面板提供了专门的功能和测量键，因此不需要开发和调试程序即可控制仪器组合并进行有效的测量。它还可与14585A控制和分析软件一起使用，获得更强大的控制和分析功能。

Keysight N678x系列电源/测量单元具有先进的特性和精确的控制功能，可测量电压以及低至微安和毫微安的电流。并且N678x可以在高速负载变动的条件下提供稳定无毛刺的电压和电流输出、快速的输出调制，并可以同时进行高速电压和电流测量。其中，N6781A和N6782A均支持是德科技技术“无缝量程切换”，它可以根据电流的大小，同步选择更合适的量程进行测量，保证得到更好的测量精度和测试效果，同时电源输出不会受到任何影响。

图 1 N6705C直流电源分析仪及N678x SMU模块

2、核心功能：
(1)动态、连续测量uA到A级的电流，无缝量程切换功能保证测量值连续，并提供更高精度。
(2)5us采样间隔，200KHz采样率，连续测量动态电流。
(3)两象限工作模式，作为电源或电子负载使用。
(4)长时间数据记录能力。

3、优势：
(1)不需要使用电流探头或额外的电流测量设备。
(2)自动量程切换功能保证对动态电流的高精度连续测量。
(3)高品质直流电源，测量过程不会对电源输出产生任何影响。
(4)完整电流波形观察，从nA级到A级电流完整呈现，耗电分析从未如此简单。

二．测试实例

下面就以一个手机为待测件，用N6705C+N6781A分析一下它的耗电性能。
设备：
• N6705C直流电源分析仪主机机箱
• N6781A SMU源表模块，安装在输出通道2连接图如下（虚线框为可选）：

图 2 N6705C直流电源分析仪、PC软件和被测件的连接示意图

1、直流平均值测量
(1)使用方向键将电源输出通道2的电压/电流栏高亮，使用数字键盘输入所需要的电压值或电流值，如图3所示。输入后按“Enter”键结束：Output2: 3.7V,1A；

(2)按下前面板输出通道2对应“On”键打开输出电源输出。
(3)在屏幕中显示的电流值即是通道2的输出电流平均值，在手机关机状态下，显示的关机漏电流值大约为-0.10mA。
(4)为提高测量精度，在前面板按下Properties按键，选择合适的电流量程(1mA)进行测量。
(5)在1mA量程下，可以看到关机漏电流测量结果精度大幅度提高，此时的测试结果约为17uA。如下图4所示。

　
图 4 关机漏电流测量结果

2、动态电流波形的捕获和测量
无线设备消耗的电流值动态变化范围很大，随时反应设备当前的工作状态：

• 通常在睡眠模式下，典型耗电值在100uA到mA
• 通常在接收模式下，典型耗电值在100mA到200mA
• 通常在发射模式下，典型耗电值在1A到2A

传统测量方式在进行动态电流测量时，无法在捕捉2A的最高电流峰值的同时，精确记录下100uA左右的休眠电流。这是因为测量单元的量化比特数有限，大的量程意味着更差的分辨率。下图5的例子是用14585A控制分析软件进行电池耗电测试中，固定量程和无缝量程切换功能的对比。

• 在3A固定量程下，由于量程较大，量化误差相应增大，导致测量精度和分辨率下降，小电流测量相对误差很大，无法完成精确的测试。
• 在打开无缝量程切换功能后，在测量大电流的同时，对小电流部分进行精确测量，测试量程自动切换，不会丢失数据或影响电源输出。

测试步骤如下：
1) 使用与平均值测试相同的电压/电流设置值。
2) 按下“Scope View”键切换到示波器模式。
3) 按下“Properties”键打开“Scope Properties”窗口，如右下图所示。

图 6 Scope Properties

a.设置Display trace为“I2”，表示显示2通道电流波形。
b.Scope Range选择Auto，表示打开无缝量程切换功能。
注意:也可以通过钩选屏幕上方的(V1,I1,V2,I2)的矩形框，直接在“Scope View”窗口完成与a.同样的操作，首先通过方向键高亮相应通道的电压或电流框，然后通过按“Enter”键钩选你所要显示的波形。
4) 再次按下“Scope View”键返回示波器窗口，并打开待测件。
5) 按下Trigger Level/Autoscale旋钮，屏幕将根据电流值的大小自动选择纵轴量程。
6) 旋转“Vertical Offset”旋钮可设置Offset曲线位于屏幕正中。
7) 旋转“Time/Div”旋钮可设置时间轴上每格对应的时间。
8) 等待一段时间后，手机进入待机模式，此时电流值较为平稳，可以得到类似右图中的电流波形，波形中会有周期出现的电流脉冲，表示周期性的基站搜索。
9) 展开某一个电流脉冲，可以看到更详细的细节信息，见图7。

图 7 示波器视图捕捉动态电流

10) 再次按“Scope View”键进入Marker操作窗口。
11) 旋转Marker1/Marker2对应的旋钮，使Marker进入主屏幕。
12) 在屏幕下端可以读到两个Marker分别对应的电压/电流值，以及两个Marker之间的最大值/最小值/差值/平均值，在屏幕上直接完成测量，如下图8。

图 8 用Marker读某个时刻的电流值

13) 按下“File”键进入文件菜单，再按下“Screen Capture”键进入波形捕获模式，设置保存文件名称，可以将当前的电压电流波形以Gif格式保存。
14) 按下“File”键进入文件菜单，再按下“Export”键进入数据导出菜单，在“Type”项中选择“ScopeData(.csv)”，设置保存文件名称，可以将当前的电压电流波形以数据的形式保存下来，并可回传到PC中，通过Excel打开。
3、其他功能
1) 电池内阻仿真
N6781A支持电池内阻仿真功能，可以模拟实际电池内阻对耗电测试的影响，见图9。
a) 按下Settings按键，在Resistance中选择Enable，打开内阻仿真功能，并填入相应的电池内阻值。

图 9 电池内阻仿真功能

2) 两线供电与四线供电
四线供电模式可以消除引线电阻上电压降的影响，使电源的供电和测量更加准确。
a) 在Setting界面下方选择Advanced菜单可以进入高级菜单，在Sense菜单下可以选择两线或四线供电。

图 10 两线模式与四线模式

3) 补偿模式的选择
如果在供电过程中发现电压不稳定现象(输出电压起震，或者在脉冲电流出现时，输出电压出现跌落或过冲)，有可能是因为补偿模式选择的原因。可以尝试选择不同的补偿模式以改善电压不稳定的现象。
a) 在Setting界面下方选择Advanced菜单可以进入高级菜单，在Output Voltage Bandwidth菜单下可以选择输出电压的补偿模式。

图 11 补偿模式选择

三．结论

由以上实验可以看到，N6705C配合N678x系列SMU模块可以很方便的实现待测件电流的直流平均值以及动态特性的高精度分析，不需要额外的设备辅助即可以完成供电和测试，给耗电性能研究提供了很大的便利。
附录
1、N6781A/N6782A在各量程下的测试精度：

请注意：10uA量程仍需要手动切换，可以测量nA级别电流值，主要用于漏电流测试。
2、14585A控制和分析软件：
Keysight 14585A控制和分析软件用于控制N6705C直流电源分析仪的高级功能，并分析来自N6705C的数据。该软件的操作与PC控制类似，可用于控制任意一款安装在N6705C主机中的N6700系列直流电源模块（共计36款）。
14585A软件可以同时控制多达4个主机，而N6705C可以安装4个直流电源模块，这意味着该软件可以同时控制多达16路电源。根据您的应用，该软件可以执行基础或精确的波形捕获、长时间数据记录或任意波形生成任务，最多可同时支持16路电源。安装N6781A SMU情况下，该软件可以执行CCDF统计分析等高级电池耗电分析。14585A软件提供免费下载。但是，该软件与N6705C直流电源分析仪主机连接时需要许可证。许可证存放于N6705C中（不在PC中），由主机序列号指定。
3、是德科技技术：无缝测量范围切换
无缝测量范围切换可以克服动态电流测量的难题。使用无缝测量范围切换，工程师能够对动态电流进行精密测量，不会造成测量的故障或中断。当被测件的电流消耗发生变化时，SMU可以自动并即时地识别出哪个电流测量范围能够返回更精密的测量结果，进而立即切换到该范围。与SMU内置18位数字转换器结合使用，无缝测量范围切换可以达到空前高效的28位垂直分辨率。这将显著提高用户的工作效率并可对功耗进行深入研究。工程师能够逐个图片地观察以往从未见过的完整电流波形（从nA至A）。