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功耗分析測試概況

目前，世上萬物的互聯(lián)程度越來越高。大量傳感器和物聯(lián)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(huán)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(lián)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(zhàn)

IoT 設備絕大多數(shù)時間處于休眠狀態(tài)，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(tài)和工作狀態(tài)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(zhàn)：

?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(zhàn) 1：要求電源具有寬電流動態(tài)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(zhàn) 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(tài)下的 IoT 設備的真實功耗。

測試挑戰(zhàn) 3：要求電源具有高精度，并且可以得到長時間/高采樣率數(shù)據(jù)記錄以便后續(xù)分析。

?特性 4. 系統(tǒng)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(zhàn) 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(tài)。

測試挑戰(zhàn) 5：要求電源具有遠程監(jiān)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(zhàn) 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(zhàn) 7：要求電源具有電容補償能力。

羅德與施瓦茨解決方案

現(xiàn)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(zhàn)，羅德與施瓦茨解決方案如下：

?測試挑戰(zhàn) 1：要求電源具有寬電流動態(tài)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(yè)電源具有足夠寬的電流動態(tài)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(zhàn) 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(yè)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(tǒng)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(yè)電源負載恢復響應電壓波形與普通電壓的對比

?測試挑戰(zhàn) 3：要求電源具有高精度，并且可以得到長時間/高采樣率數(shù)據(jù)記錄以便后續(xù)分析。

羅德與施瓦茨解決方案 3：羅德與施瓦茨專業(yè)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(yè)型電源的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)記錄需求，面對短時間的異常，也可順利捕獲。

圖 4 R&S 專業(yè)電源 FastLog 采樣率對比通用電源標準采樣率

?測試挑戰(zhàn) 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(yè)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(zhàn) 5：要求電源具有遠程監(jiān)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(fā)工具，支持通用的USB、LAN、GPIB 等接口外，還可支持 WLAN, 數(shù)字 I/O 接口。

?測試挑戰(zhàn) 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(tǒng)電源的電壓優(yōu)先模式，電流優(yōu)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(yōu)先模式對比傳統(tǒng)電源電壓優(yōu)先模式

? 測試挑戰(zhàn) 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(xiàn)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。