直流电源分析仪及其典型应用

时间： 2016-03-14 来源：Keysight

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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