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一．概述

隨著便攜式電子產品應用日益廣泛和功能不斷增強，在設備研發、設計驗證和生產過程中，對于耗電特性的測試需求也逐步加強。通常情況下耗電性能的測試方法是連接電源進行供電，再將萬用表串聯接入供電環路或者用電流探頭進行電流測量。而實際情況中，為了節省有限的電池電量，設備絕大多數時間處于待機或者休眠狀態，只有在接受到命令后才進入工作狀態，這造成了設備的耗電電流出現從nA或uA/級到A/級的巨大起伏變化。傳統的測量方式（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果帶來的不穩定現象給動態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、測試設備：

N6705C直流電源分析儀將多達4個先進電源與數字萬用表、示波器、任意波形發生器和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，因此不需要開發和調試程序即可控制儀器組合并進行有效的測量。它還可與14585A控制和分析軟件一起使用，獲得更強大的控制和分析功能。

Keysight N678x系列電源/測量單元具有先進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可以在高速負載變動的條件下提供穩定無毛刺的電壓和電流輸出、快速的輸出調制，并可以同時進行高速電壓和電流測量。其中，N6781A和N6782A均支持是德科技技術“無縫量程切換"，它可以根據電流的大小，同步選擇更合適的量程進行測量，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、連續測量uA到A/級的電流，無縫量程切換功能保證測量值連續，并提供更高精度。
(2)5us采樣間隔，200KHz采樣率，連續測量動態電流。
(3)兩象限工作模式，作為電源或電子負載使用。
(4)長時間數據記錄能力。

3、優勢：
(1)不需要使用電流探頭或額外的電流測量設備。
(2)自動量程切換功能保證對動態電流的高精度連續測量。
(3)高品質直流電源，測量過程不會對電源輸出產生任何影響。
(4)完整電流波形觀察，從nA/級到A/級電流完整呈現，耗電分析從未如此簡單。

二．測試實例

下面就以一個手機為待測件，用N6705C+N6781A分析一下它的耗電性能。
設備：
• N6705C直流電源分析儀主機機箱
• 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"鍵結束：Output2: 3.7V,1A；

(2)按下前面板輸出通道2對應“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，在手機關機狀態下，顯示的關機漏電流值大約為-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)進行測量。
(5)在1mA量程下，可以看到關機漏電流測量結果精度大幅度提高，此時的測試結果約為17uA。如下圖4所示。

　
圖 4 關機漏電流測量結果

2、動態電流波形的捕獲和測量
無線設備消耗的電流值動態變化范圍很大，隨時反應設備當前的工作狀態：

• 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

• 通常在發射模式下，典型耗電值在1A到2A

傳統測量方式在進行動態電流測量時，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，量化誤差相應增大，導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，對小電流部分進行精確測量，測試量程自動切換，不會丟失數據或影響電源輸出。

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，屏幕將根據電流值的大小自動選擇縱軸量程。
6) 旋轉“Vertical Offset"旋鈕可設置Offset曲線位于屏幕正中。
7) 旋轉“Time/Div"旋鈕可設置時間軸上每格對應的時間。
8) 等待一段時間后，手機進入待機模式，此時電流值較為平穩，可以得到類似右圖中的電流波形，波形中會有周期出現的電流脈沖，表示周期性的基站搜索。
9) 展開某一個電流脈沖，可以看到更詳細的細節信息，見圖7。

圖 7 示波器視圖捕捉動態電流

10) 再次按“Scope View"鍵進入Marker操作窗口。
11) 旋轉Marker1/Marker2對應的旋鈕，使Marker進入主屏幕。
12) 在屏幕下端可以讀到兩個Marker分別對應的電壓/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"鍵進入文件菜單，再按下“Screen Capture"鍵進入波形捕獲模式，設置保存文件名稱，可以將當前的電壓電流波形以Gif格式保存。
14) 按下“File"鍵進入文件菜單，再按下“Export"鍵進入數據導出菜單，在“Type"項中選擇“ScopeData(.csv)"，設置保存文件名稱，可以將當前的電壓電流波形以數據的形式保存下來，并可回傳到PC中，通過Excel打開。
3、其他功能
1) 電池內阻仿真
N6781A支持電池內阻仿真功能，可以模擬實際電池內阻對耗電測試的影響，見圖9。
a) 按下Settings按鍵，在Resistance中選擇Enable，打開內阻仿真功能，并填入相應的電池內阻值。

圖 9 電池內阻仿真功能

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確。
a) 在Setting界面下方選擇Advanced菜單可以進入高級菜單，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) 補償模式的選擇
如果在供電過程中發現電壓不穩定現象(輸出電壓起震，或者在脈沖電流出現時，輸出電壓出現跌落或過沖)，有可能是因為補償模式選擇的原因。可以嘗試選擇不同的補償模式以改善電壓不穩定的現象。
a) 在Setting界面下方選擇Advanced菜單可以進入高級菜單，在Output Voltage Bandwidth菜單下可以選擇輸出電壓的補償模式。

圖 11 補償模式選擇

三．結論

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待測件電流的直流平均值以及動態特性的高精度分析，不需要額外的設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 主要特性與技術指標

• 4 插槽主機最多可安裝 4 個模塊，總功率高達 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 0.025% + 50 µV，高達 18 位

• 安培計精度：高達 0.025% + 8 nA，高達 18 位

• 任意波形發生器功能：帶寬高達 100 kHz，輸出功率高達 500 W

• 示波器功能：可對電壓和電流進行數字化處理，200 kHz，512 kpts，高達 18 位

• 數據記錄儀功能：測量間隔從 20 µs 到 60 s，每個數據記錄最多存儲 5 億個讀數

• 4 GB 非易失性數據存儲器，用于存儲數據記錄、示波器跡線、儀器設置