N6705B直流電源分析儀簡(jiǎn)介

N6705B直流電源分析儀，采用模塊化設(shè)計(jì)，在一臺(tái)主機(jī)中提供了多種測(cè)試儀表功能：

? 1 至 4 路高性能電源輸出或電子負(fù)載 

? 數(shù)字電壓表和電流表 

? 帶功率輸出的任意波形發(fā)生器 

? 電壓、電流示波器 

? 電壓、電流數(shù)據(jù)采集 

? 所有的測(cè)量和功能都能通過(guò)前面板實(shí)現(xiàn) 

圖1：N6705B直流電源分析儀

超過(guò)34種不同性能，電壓、電流、功率等級(jí)的模塊，可任意組合搭配的*靈活的多通道電源：

? 基礎(chǔ)型模塊：*高電壓150V，*大電流20A，功率50W -300W

? 高性能型自動(dòng)量程模塊：*高電壓60V，50A，功率500W，電壓編程時(shí)間<2ms

? 精密型模塊：*高電壓60V，50A，功率500W，0.016%的電壓輸出精度

? SMU源表模塊：20V/3A，20W，雙象限或四象限工作，低至nA級(jí)電流測(cè)量精度

圖2：多個(gè)N6705B直流電源分析儀

N6705B直流電源分析儀的六個(gè)典型應(yīng)用案例

一、多通道嚴(yán)格時(shí)序的**供電和分析 

絕大部分的集成電路板都需要多路供電，而且還要求在上電或斷電時(shí)保持嚴(yán)格的順序，典型的例子如FPGA的供電與關(guān)機(jī)。N6705B內(nèi)置各通路之間的開(kāi)、關(guān)時(shí)延設(shè)置，以保證準(zhǔn)確的時(shí)序輸出性能，可以連續(xù)記錄長(zhǎng)達(dá)1000小時(shí)的電壓、電流、功率隨時(shí)間的變化情況。

 
圖3：電壓、電流、功率隨時(shí)間的變化

二、移動(dòng)通訊設(shè)備、RFID器件或醫(yī)療電子設(shè)備的耗電分析

手機(jī)，PAD，便攜式血壓計(jì)，不停車(chē)收費(fèi)E-Card，汽車(chē)胎壓監(jiān)測(cè)等設(shè)備都采用電池供電。如何優(yōu)化這些設(shè)備的續(xù)航時(shí)間，首先需要準(zhǔn)確地測(cè)量它們的耗電特性。

圖3：便攜式設(shè)備

這些設(shè)備都具有以下幾個(gè)共同的耗電特征，為耗電測(cè)試帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)：

? 更高的電流測(cè)量精度

     – 微安級(jí)休眠電流，甚至nA級(jí)漏電流都成為測(cè)試需要

? 動(dòng)態(tài)電流變化范圍大

     – 微安級(jí)的休眠電流至安培級(jí)的工作電流

     – 針對(duì)不同范圍的電流都能提供連續(xù)、準(zhǔn)確的測(cè)量

     – 脈沖寬度窄，一般在幾百微秒至毫秒級(jí)別

? 采樣速率和記錄時(shí)間

     – 更快的采樣速率，更長(zhǎng)的存儲(chǔ)深度

圖4：動(dòng)態(tài)電流

N6705B及N6781A SMU模塊就是針對(duì)這類(lèi)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，包括以下特點(diǎn)：

? 可調(diào)節(jié)的電池內(nèi)阻仿真特性；

? nA級(jí)電流測(cè)量； 

? 采用無(wú)縫量程技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)3A至80nA的超大量程覆蓋； 

? 高達(dá)200 KHz（5us)的電流采樣率，**測(cè)量脈沖電流；

? 可視化電流測(cè)試軟件，電流測(cè)試與操作同步測(cè)量；

? 電壓、電流的數(shù)據(jù)記錄儀，保持50KHz速度的同時(shí)，可以記錄長(zhǎng)達(dá)1000小時(shí)的數(shù)據(jù)；

圖5：相關(guān)數(shù)據(jù)記錄界面

三、 瞬態(tài)供電電壓波動(dòng)的模擬與仿真 

現(xiàn)實(shí)環(huán)境中供電總線通常無(wú)法保持**純凈的DC，特別是一些在極為惡劣條件下工作的設(shè)備，如汽車(chē)，坦克，飛機(jī)，衛(wèi)星等。但這些設(shè)備通常對(duì)**性和穩(wěn)定性要求極高，以保證100%的無(wú)故障。因此，需要在實(shí)驗(yàn)室仿真出各種極端甚至異常條件下的設(shè)備供電特性，對(duì)設(shè)備進(jìn)行充分的測(cè)試和驗(yàn)證。

圖6：惡劣條件下工作的設(shè)備

以汽車(chē)為例，所有汽車(chē)電子設(shè)備的供電均來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)或電池。而在汽車(chē)起步供電時(shí)，電池與發(fā)動(dòng)會(huì)進(jìn)行切換，并出現(xiàn)瞬時(shí)拋負(fù)載效應(yīng)，即電壓值瞬時(shí)達(dá)到幾十伏。因此，所有汽車(chē)電子產(chǎn)品都必須能夠克服這種瞬態(tài)電壓異常。

 
圖7：汽車(chē)電源系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

汽車(chē)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ISO16750，ISO7637就是針對(duì)汽車(chē)電子產(chǎn)品提出的工作電壓特性要求，所有汽車(chē)電子產(chǎn)品都必須能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)中定義的瞬態(tài)電壓供電要求。以下是常見(jiàn)的電壓波形。

圖8：常見(jiàn)電壓波形

N6705B的任意波形發(fā)生器結(jié)合高性能模塊，可以輸出IS016750標(biāo)準(zhǔn)中的絕大部分瞬態(tài)電壓波形。

圖9：N6705B直流電源分析儀及其瞬態(tài)電壓

四、 DC-DC模塊一體化測(cè)試

在各種電子產(chǎn)品中，DC-DC電源適配器被大量使用。如在一臺(tái)筆記本電腦內(nèi)部，CPU需要5V供電，顯示屏需要8V供電，風(fēng)扇需要12V等。但電池只能提供一種電壓，如12V，因此，必須使用DC-DC電源轉(zhuǎn)換模塊來(lái)提供其他不同值的電壓；諸如此類(lèi)的情況同樣會(huì)出現(xiàn)在手機(jī)、平板電腦、汽車(chē)車(chē)載充電器等多種應(yīng)用中。

    
圖10：DC-DC器件

嚴(yán)格來(lái)講，DC-DC適配器也必須滿足完整的電源性能指標(biāo)要求，才能保證電源的質(zhì)量。 

這些指標(biāo)包括：

? 輸入電壓、電流及功率范圍； 

? 輸出電壓、電流及功率； 

? 輸出電壓精度； 

? 輸入端電流浪涌； 

? 紋波噪聲； 

? 源/負(fù)載調(diào)整率； 

? 轉(zhuǎn)換效率； 

? 輸出電壓上升時(shí)間； 

? 輸入輸出開(kāi)啟及關(guān)閉時(shí)延； 

? 待機(jī)空耗功率。 

測(cè)試DC-DC 電源，通常需要多種測(cè)量?jī)x器，包括DC電源、DC電子負(fù)載、示波器、數(shù)字萬(wàn)用表等，并按照下圖的連接方式來(lái)進(jìn)行測(cè)試。

 
圖11：電源模塊測(cè)試方案 

 
圖12：DC-DC電源的波紋抑制比測(cè)試

單臺(tái)N6705B兼具兩個(gè)通道電源和負(fù)載、示波器、任意波形發(fā)生器等功能，實(shí)現(xiàn)了一體化的DC-DC測(cè)試儀。

五、子電路的耗電特性分析

通常測(cè)試集成電路或設(shè)備的整機(jī)耗電性能都比較容易，而整體功耗是由全部子電路共同決定的。當(dāng)整體功耗中某一部分存在異常時(shí)，就需要**分析子電路中出現(xiàn)的問(wèn)題，但實(shí)際上能采用的手段卻往往比較有限。例如一臺(tái)手機(jī)的整體耗電性能可從多方面體現(xiàn)：顯示屏、CPU、攝像頭、基帶芯片、射頻芯片以及其他硬、軟件。一旦其中發(fā)生某種異常，該如何定位是由哪部分導(dǎo)致的呢？ 

N6705B電源分析儀的N6781A SMU模塊具有電流表和電壓表的功能，可以將該模塊直接串入到需要觀察的電路中測(cè)試其電流。另外，N6781A的電流表功能還具有以下特點(diǎn)：

? 當(dāng)串入其他類(lèi)型的電流探頭時(shí)，都會(huì)引人額外的壓降，但N6781A能夠做到0V壓降； 

? 采用電流表功能時(shí)，仍能保留N6781A的無(wú)縫量程，可實(shí)現(xiàn)3A-80nA的超大動(dòng)態(tài)與精度； 

? 采用電流表功能時(shí)，仍能使用N6705B的示波器和數(shù)據(jù)記錄儀功能，實(shí)現(xiàn)可視化電流測(cè)量。

  
圖13：N6781A電流表功能連接圖

下圖為某一實(shí)際案例，分別使用了N6705B的兩個(gè)通道：通道1模擬電池給手機(jī)供電；通道2作為電流/電壓表，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)射頻RF子電路的電壓和電流。

 
圖14：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)射頻RF子電路示意圖

從上圖右下角的實(shí)時(shí)電壓，電流波形圖中可以清楚地得到和分析，整機(jī)的總體功耗以及射頻RF子電路的功耗情況。

六、 電池儲(chǔ)能設(shè)備的容量監(jiān)測(cè)和分析

電池是一種特殊形式的儲(chǔ)能容器，可以將化學(xué)能源與電能進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，譬如鋰電池就可以通過(guò)充電，將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能量進(jìn)行存儲(chǔ)；反之，放電時(shí)將內(nèi)部的化學(xué)能量轉(zhuǎn)換為電能輸出。在實(shí)際工作中，如何將電池充、放電過(guò)程中保存或釋放的能量，即電池的充放電容量，以及電池容量與電壓區(qū)間的分布，**地測(cè)量出來(lái)往往比較困難。 

N6705B直流電源分析儀結(jié)合了N678x的雙象限模塊，單臺(tái)儀器就可以完成電池的充電、放電和實(shí)時(shí)電壓、電流的可視化測(cè)量，并分別進(jìn)行電池容量、電壓區(qū)間與容量等性能指標(biāo)的**測(cè)量。

 
圖15：不同玻璃容器容量的比較

以鋰電池為例，其工作電壓區(qū)間通常是2.5V至4.2V，但究竟每0.1V或0.05V能存儲(chǔ)多少電量，不同的電池不一定相同。

 
圖16：每0.05V鋰電池存儲(chǔ)的電量

通過(guò)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)充電時(shí)電壓和電流的變化曲線，以及電量的分析，我們可以看到以0.05V為一個(gè)電壓步進(jìn)，以上電池的電壓與電量的變化規(guī)律如下表所示：

表1電池電量隨下降電壓的值變化