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N6705B直流电源分析仪及其典型应用

作者:angelazhang时间:2015-08-15

N6705B直流电源分析仪简介

N6705B直流电源分析仪,采用模块化设计,在一台主机中提供了多种测试仪表功能:

• 1 至 4 路高性能电源输出或电子负载 

• 数字电压表和电流表 

• 带功率输出的任意波形发生器 

• 电压、电流示波器 

• 电压、电流数据采集 

• 所有的测量和功能都能通过前面板实现 

图1:N6705B直流电源分析仪

超过34种不同性能,电压、电流、功率等级的模块,可任意组合搭配的最灵活的多通道电源:

• 基础型模块:最高电压150V,最大电流20A,功率50W -300W

• 高性能型自动量程模块:最高电压60V,50A,功率500W,电压编程时间<2ms

• 精密型模块:最高电压60V,50A,功率500W,0.016%的电压输出精度

• SMU源表模块:20V/3A,20W,双象限或四象限工作,低至nA级电流测量精度


图2:多个N6705B直流电源分析仪


N6705B直流电源分析仪的六个典型应用案例


一、多通道严格时序的精确供电和分析 

绝大部分的集成电路板都需要多路供电,而且还要求在上电或断电时保持严格的顺序,典型的例子如FPGA的供电与关机。N6705B内置各通路之间的开、关时延设置,以保证准确的时序输出性能,可以连续记录长达1000小时的电压、电流、功率随时间的变化情况。


 
图3:电压、电流、功率随时间的变化


二、移动通讯设备、RFID器件或医疗电子设备的耗电分析

手机,PAD,便携式血压计,不停车收费E-Card,汽车胎压监测等设备都采用电池供电。如何优化这些设备的续航时间,首先需要准确地测量它们的耗电特性。

                                        


图3:便携式设备

这些设备都具有以下几个共同的耗电特征,为耗电测试带来了新的挑战:

• 更高的电流测量精度

     – 微安级休眠电流,甚至nA级漏电流都成为测试需要

• 动态电流变化范围大

     – 微安级的休眠电流至安培级的工作电流

     – 针对不同范围的电流都能提供连续、准确的测量

     – 脉冲宽度窄,一般在几百微秒至毫秒级别

• 采样速率和记录时间

     – 更快的采样速率,更长的存储深度


图4:动态电流

N6705B及N6781A SMU模块就是针对这类应用而设计的,包括以下特点:

• 可调节的电池内阻仿真特性;

• nA级电流测量; 

• 采用无缝量程技术,可实现3A至80nA的超大量程覆盖; 

• 高达200 KHz(5us)的电流采样率,精确测量脉冲电流;

• 可视化电流测试软件,电流测试与操作同步测量;

• 电压、电流的数据记录仪,保持50KHz速度的同时,可以记录长达1000小时的数据;


 

图5:相关数据记录界面


三、 瞬态供电电压波动的模拟与仿真 

现实环境中供电总线通常无法保持绝对纯净的DC,特别是一些在极为恶劣条件下工作的设备,如汽车,坦克,飞机,卫星等。但这些设备通常对安全性和稳定性要求极高,以保证100%的无故障。因此,需要在实验室仿真出各种极端甚至异常条件下的设备供电特性,对设备进行充分的测试和验证。


                                                           

图6:恶劣条件下工作的设备

以汽车为例,所有汽车电子设备的供电均来自发动机或电池。而在汽车起步供电时,电池与发动会进行切换,并出现瞬时抛负载效应,即电压值瞬时达到几十伏。因此,所有汽车电子产品都必须能够克服这种瞬态电压异常。

 
图7:汽车电源系统基本结构

汽车行业标准ISO16750,ISO7637就是针对汽车电子产品提出的工作电压特性要求,所有汽车电子产品都必须能够满足标准中定义的瞬态电压供电要求。以下是常见的电压波形。

     

图8:常见电压波形

N6705B的任意波形发生器结合高性能模块,可以输出IS016750标准中的绝大部分瞬态电压波形。


                                


图9:N6705B直流电源分析仪及其瞬态电压


四、 DC-DC模块一体化测试

在各种电子产品中,DC-DC电源适配器被大量使用。如在一台笔记本电脑内部,CPU需要5V供电,显示屏需要8V供电,风扇需要12V等。但电池只能提供一种电压,如12V,因此,必须使用DC-DC电源转换模块来提供其他不同值的电压;诸如此类的情况同样会出现在手机、平板电脑、汽车车载充电器等多种应用中。

    
图10:DC-DC器件

严格来讲,DC-DC适配器也必须满足完整的电源性能指标要求,才能保证电源的质量。 

这些指标包括:

• 输入电压、电流及功率范围; 

• 输出电压、电流及功率; 

• 输出电压精度; 

• 输入端电流浪涌; 

• 纹波噪声; 

• 源/负载调整率; 

• 转换效率; 

• 输出电压上升时间; 

• 输入输出开启及关闭时延; 

• 待机空耗功率。 

测试DC-DC 电源,通常需要多种测量仪器,包括DC电源、DC电子负载、示波器、数字万用表等,并按照下图的连接方式来进行测试。

 
图11:电源模块测试方案 


 

图12:DC-DC电源的波纹抑制比测试

单台N6705B兼具两个通道电源和负载、示波器、任意波形发生器等功能,实现了一体化的DC-DC测试仪。


五、子电路的耗电特性分析

通常测试集成电路或设备的整机耗电性能都比较容易,而整体功耗是由全部子电路共同决定的。当整体功耗中某一部分存在异常时,就需要精确分析子电路中出现的问题,但实际上能采用的手段却往往比较有限。例如一台手机的整体耗电性能可从多方面体现:显示屏、CPU、摄像头、基带芯片、射频芯片以及其他硬、软件。一旦其中发生某种异常,该如何定位是由哪部分导致的呢? 

N6705B电源分析仪的N6781A SMU模块具有电流表和电压表的功能,可以将该模块直接串入到需要观察的电路中测试其电流。另外,N6781A的电流表功能还具有以下特点:

• 当串入其他类型的电流探头时,都会引人额外的压降,但N6781A能够做到0V压降; 

• 采用电流表功能时,仍能保留N6781A的无缝量程,可实现3A-80nA的超大动态与精度; 

• 采用电流表功能时,仍能使用N6705B的示波器和数据记录仪功能,实现可视化电流测量。

 
 
图13:N6781A电流表功能连接图

下图为某一实际案例,分别使用了N6705B的两个通道:通道1模拟电池给手机供电;通道2作为电流/电压表,实时监测射频RF子电路的电压和电流。

 
图14:实时监测射频RF子电路示意图

从上图右下角的实时电压,电流波形图中可以清楚地得到和分析,整机的总体功耗以及射频RF子电路的功耗情况。


六、 电池储能设备的容量监测和分析

电池是一种特殊形式的储能容器,可以将化学能源与电能进行相互转换,譬如锂电池就可以通过充电,将电能转换为化学能量进行存储;反之,放电时将内部的化学能量转换为电能输出。在实际工作中,如何将电池充、放电过程中保存或释放的能量,即电池的充放电容量,以及电池容量与电压区间的分布,精确地测量出来往往比较困难。 

N6705B直流电源分析仪结合了N678x的双象限模块,单台仪器就可以完成电池的充电、放电和实时电压、电流的可视化测量,并分别进行电池容量、电压区间与容量等性能指标的精确测量。

 
图15:不同玻璃容器容量的比较

以锂电池为例,其工作电压区间通常是2.5V至4.2V,但究竟每0.1V或0.05V能存储多少电量,不同的电池不一定相同。

 
图16:每0.05V锂电池存储的电量

通过准确地监测充电时电压和电流的变化曲线,以及电量的分析,我们可以看到以0.05V为一个电压步进,以上电池的电压与电量的变化规律如下表所示:

表1电池电量随下降电压的值变化



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