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智能产品低功耗分析的关键技术——电流测量的无缝量程切换

更新时间:2023-12-20      点击次数:169

在物联网、智能穿戴、便携式医疗设备等等电池供电的智能设备中,电池的续航至关重要。在产品研发中,需要在确保产品性能的同时,优化工作电流特性。而利用动态功耗模式,几乎是所有智能产品的必选:即在工作状态,电流迅速上升到足够支持各种工作模式;而一旦结束,迅速回到休眠状态,等候下一次被迅速唤醒。

这种工作电流变化速度快,动态范围大。例如以下这个NB-IoT的模块:                                             

工作电流特性:全部工作过程不到10ms,最大电流为206.75mA,PSM模式耗电仅仅2.868uA,相差将近8万倍!

 

对于这种电流信号的测量,是非常有挑战的,我们以此为例,看一下用传统的示波器和万用表测量,会有哪些问题。

01、示波器+电流探头的方法

其好处是工程师使用便捷,选择范围大,采样率、带宽都高,探头种类多。但最大的问题,一是AD转换器的位数,二是本底噪声。

即便高档的示波器,具有10bit AD位数,分辨率只有千分之一。而对于相差2万倍的动态信号,只能望洋兴叹。本底噪声也是难以逾越的障碍,微安级的信号,可能会被本底噪声淹没。


02、万用表的方法

这是测量电流常用的方法,从pA至安培级的电流,万用表基本上都能从容应对。但由于采样率的限制,它一般用来测量静态,或者变化缓慢的信号。

万用表测量电流还有一个不可忽略的问题,就是内部的取样电阻,会产生压降。量程不同,阻值也不同。这就会在测量电流的时候,产生明显的压降,造成被测件工作异常,甚至自动关机。

是德科技34465A万用表电流取样电阻的指标

 

03高速、高动态电流的无缝量程切换技术

是德科技的技术, 同时解决了电流测量高采样率和超高的分辨率的要求。

N6781A 源表SMU模块为例,它支持3A100mA1mA10uA四个测试量程。10uA量程测量精度达8nA,用于产品关机漏电流的测量;而3A100mA1mA三个量程采用无缝量程技术,覆盖3A100nA电流测量,从而实现产品从休眠模式到工作模式的动态电流高速、高分辨率的连续精确测量。其采样率为200kSa/s,分辨率可等效为惊人的28bit,比通用示波器高出 1百万倍!

无缝量程,或者可以认为有3个量程同时工作,构建出一个巨大电流的量程, 高速连续测量从100nA – 3A 的动态电流

同时,由于有很高的分辨率,底噪也被大幅度压低。

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未启动无缝量程功能时测量的电流

 

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启动无缝量程功能时测量的电流

 

04、自动量程切换(Auto-Rangevs. 无缝量程切换(Seamless Range

切勿混淆这两个概念。自动量程切换是数字万用表的基本功能,它是根据输入信号的幅度,自动选择一个适合的量程。在量程切换过程中,存在量程切换时间问题(越小的量程切换、花费的时间越长),且其本质为切换不同的分流电阻(硬件)、容易导致电流测量时产品的工作状态不稳定、甚至异常。而无缝量程切换,则不存在这个问题。

以PZ2121A 源表模块为例,它有6个固定量程,可以自动切换,但每次切换都有时间延迟,出现测量中断,无法准确测试(橙黄色迹线)。而它的1A和10mA 两个量程,构成了一个无缝切换的量程,连续电流测量从nA到1A, 跨越了6个数量级,不会出现中断和延时(绿色迹线)。

 

05、装备了无缝量程切换技术的仪表

典型的有在N6705C直流电源分析仪中的N6781AN6785A等源表模块;PZ2100模块化源表系列中的PZ2121A模块,以及N7900A APS *电源系统等。总体数量还是非常有限。

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N6705C / N678x SMU

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PZ2100 模块化SMUs

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