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是德科技最佳授權經銷商 克達科技2017 台北/新竹/台中 研討會
低功率裝置之功率分析完全攻略講座 1
低功率裝置之功率分析完全攻略講座
講師:馮育隆 Martin 0987-856086 [email protected]
成立於2011年3月
主要代理產品:
• Keysight Technologies
• Wilder Technologies
經營理念:
秉持著「誠信」、「服務」、「專業」的理念,在技術上積極創新,以實現「客戶優先,持續成長」的企業願景。
為Keysight 是德科技唯一產業界、教育市場及軍方市場之專業授權經銷商
關於克達
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低功率裝置之功率分析完全攻略講座 2
克達科技 服務區域 2011年正式成為 是德科技(Keysight) 經銷商重要夥伴
服務區域:產業界/教育單位 (北區和中部) 和 軍方單位
新北市中和區中正路738號13樓之4 服務專線: 02-66200188
新竹縣竹北市高鐵七路65號6樓之11 服務專線: 03-6105168
台中市西屯區市政北一路77號5樓之7 服務專線: 04-36095688
服務據點: • 台北總公司:
• 新竹分公司:
• 台中分公司:
2017正式成為 Wilder Technologies 大中華區代理商
克達代理品牌- Keysight 是德科技(原安捷倫)
2014年8月,安捷倫科技(Agilent Technologies Inc.)
正式宣佈分拆更改電子量測公司的名稱──
是德科技(Keysight Technologies Inc.)
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低功率裝置之功率分析完全攻略講座 3
高速數位測試治具
高速數位測試治具均經國際認證單位認可 SAS 、 SATA、 Thunderbolt、 DiiVA、 DisplayPort、 HDMI 、 MHL、SFP+、 QSFP+、 Energy Efficient Ethernet (EEE) 高速數位測試治具
示波器
數位萬用電錶
單機/模組式 電源供應器
多功能資料蒐集器
函數波形產生器
數位計頻器
各式電子量測儀器
克達科技
交流電源/功率分析儀PQA
信號產生器
網路/頻譜分析儀
LCR錶
Wilder Test Fixture
RF Cable & Connector
- 協助您解決測試上的瓶頸
提供您完整的顧問式銷售方案
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低功率裝置之功率分析完全攻略講座 4
議 程
前言
挑戰耗電量測之天堂路
電池耗電優化的需求
客戶測試面臨的挑戰
• 挑戰是什麼?
• 如何去克服?
• 知道為什麼 Keysight N6780 SMUs 提供了獨一無二的方案
• 選擇適合的模組
超~精準之低電壓低功率ADC驗證
滴水Blue~抓緊漏電流完整測試量測
Power Supply is Everywhere
Power Distribution Network
AC/DC
or
DC/DC DC Power Rail
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無線技術革命= 大量移動終端, 電池驅動設備
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移動設備
便攜醫療健身設備
Zigbee, WLAN, BT, GPS
無線鎖方案
無線 安保方案
水,氣,電錶遠端檢測
掃描器,庫存控制
電池續航時間非常關鍵
任何人都與電池驅動設備息息相關
電池續航時間是終端使用者最容易感受到的產品重要特性之一
11月 30日, 2010年 在線採訪
Jon Rubinstein, CEO of Palm (現在併入 HP ) 有兩件事左右著無線產業的發展…
(1) 頻寬 (2) 電池壽命
複雜的設備耗電管理
增加電池的執行時間
各式應用對耗電的要求
難度極高 的測試挑戰
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低功率裝置之功率分析完全攻略講座 6
測試挑戰: 高動態範圍的電流量測
nA
A 工作時的電流脈衝
空閒時電流脈衝
休眠態電流脈衝
高動態範圍電流設備如移動終端,在休眠,空閒和全功率發射之間轉換時電流變化極大
在一個非常寬的動態範圍內,量測小電流和上升/下降非常快的脈衝電流時非常困難:
非常寬廣的動態範圍
電流信號快速變化(喚醒,發射,進入休眠態)
電流隨著設備和電路的工作狀態隨機變化
用現在的測試工具很難完成此類測試任務
uA
Keysight N6780 系列 SMU’s 解決了工程師的棘手問題:
測試動態電流從uA 級 (休眠模式) 到 幾百 mA (工作模式) 到 Amp 級 (發射模式) 在一次測量中完成 ,測試準確度為 nA 級!
測試挑戰:示波器搭配電流勾表
– 示波器擁有足夠的高取樣率,但因為垂直解析度僅有8bits,加上電流勾表的限制,僅能達到mA~A的量測,且受限於記憶體,無法長時間的紀錄,以下是用KEYSIGHT MSO-X 6004A進行的量測
足夠的取樣率;不足的動態範圍
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測試挑戰:電表
– 六位半電表擁有22bits的ADC,因此有足夠的寬廣量測範圍,可以從μA到A的完全觀測,但問題是取樣率太低,僅有10KHz,附件是使用Keysight 34410A所量測的資料,明顯的訊號失真。
足夠的動態範圍;不足的取樣率
-4.00E-05
-2.00E-05
0.00E+00
2.00E-05
4.00E-05
6.00E-05
8.00E-05
數列1
– 無線終端耗電特性:大範圍變化的動態電流,頻率在KHz
• 更高的電流測量精度:
- mA等級的休眠電流,甚至nA等級的漏電流都成為測試需求
• 動態電流變化範圍大:
- 從mA等級的休眠電流到A等級的發射電流
- 針對不同範圍電流都能提供連續,準確的測量
- 脈衝寬度窄,一般在幾百mS至nS等級
• 採樣速率和記錄時間:
- 更快的採樣速率,更長的存儲深度
無源裝置的耗電問題
500 mA/Div 2 ms/Div
Transmit current pulses
Receive current pulses
idle current
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低功率裝置之功率分析完全攻略講座 8
– 在手機發射接收時;
• 發射及接收脈衝為數百mS,但電流很大(667us, 發射時2A;接收時100mA);
• 發射間隔和接收間隔各為整個週期的1/8,但對平均電流貢獻很大(2A* 1/8 = 250mA + 100mA * 1/8 = 12.5mA);
• Idle部分電流較小(mA),但時間較長,平均電流2mA;
– 在手機待機狀態:
• 發射脈衝間隔更長(2.02A *0.1% = 2mA);
• 接收脈衝 (100mA * 2% = 2mA);
• IDLE部分電流2mA;
如何準確的測量時間很短,但範圍從2A到1mA的電流?
無線通信產品耗電特點——脈衝電流
500 mA/Div
2 ms/Div
Transmit current pulses
Receive current pulses
idle current
GP
RS
手機發射
Tx及接收
Rx
耗電特性
發射功率對耗電的影響?
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Range Measurement
Accuracy
3 A ± (0.03% + 200 A) TRANSMIT MODE
100 mA ± (0.025% + 7 A) STANDBY MODE
1 mA ± (0.025% + 80 nA) SLEEP MODE
10 µA ± (0.025% + 8 nA) FIXED RANGE
Se
am
less R
an
ge
Ch
an
ge
s
Am
pe
res
= 無縫量程切換點
無縫隙的電流量程切换 200 kHz, 18-bit ADC,達到28bit 的動態測量範圍
電池耗盡測試應用 針對待測件使用時間最真實客觀的測試就是使用它的電池配合測試
• 記錄電池耗盡過程中電壓和電流值,以便了解待測件和真實電池作一個整體的運行情況
• 在這裡N6781A作為一個單純的測量設備進行電池耗盡測試:
• N6781A 保持輸出為零,作為一個無電壓降的電流表,消除所有可能的電壓降,最準確的測量線路裡的電流值
• N6781A 額外提供的電壓表端口可以用於監視記錄電池的輸出電壓值變化
+ _
0 Volts
A
真實電池 DUT
Aux In Voltage Measurement
電流表 Up to 4 per
mainframe
真實電池耗電電流 _
+ +
_
N6781A SMU
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充電恒流恒壓模式驗証 - N6705C 1分鐘內完成手機充電曲線的驗証
配合14585A軟體進行電池耗盡測試
• 可同時紀錄最小值,平均值,最大值,電壓值,電流值以及功率值
• 在開機處和關機處的標記告訴我們:
• I avg = 233 mA
• V avg voltage = 3.82 V
• Charge = 843 mA-h
• Energy = 3.19 W-h
• Run time = 3 hr 38 min
• V shutdown = 3.44 V
Voltage
Current
Power
24 min/div
N6781A SMU 和14585A 軟件配合測量GSM/GPRS 手機的電池耗盡過程
通過測試數據可以發現:
• 放電量 (843 mA-h) 略小於指標(1000 mA-h)
• 關機電壓高於預期(target 3V)
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N6705B電壓爬升波形 — 快速驗証手機充電管理模式
模疑輸入端的雜訊對充電管理的影響 充电器输出V=4.5V, Freq=100 kHz, Vpp =100mV
恒流 恒壓切換點電壓 = 3.624V
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是德 N6780 系列 SMUs
提高電池的續航時間: 只有是德 N6780 系列 SMUs 能夠讓你一次完成從 nA 到 A
級電流的視覺化量測,從而幫助你優化電池的續航時間
−出色的電源輸出: 準確的模擬電池
−無與倫比的測試功能: 測試你以前認為不可能的測試
−強大的分析功能: 幫你看到你設備耗電的各項細節
您可以…
20W 2-象限 SMU 模組
電壓源
電流源
電子負載
“無突波” 源輸出和測試
多個量測範圍
快速的暫態回應,用於GSM 測試
非常穩定,容性負載可到 150 µF
輔助電壓量測輸入,用於電池耗電電壓下降測試
測試
• 內建200 KHz 速率數位化儀
N6781A 電池耗電分析
N6782A 功能測試
多合一
解決電池耗電測試,分析和功能測試需求的理想方案
新的 N6784A
4-象限 SMU 通用型測試
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低功率裝置之功率分析完全攻略講座 13
80 W 2-象限 SMU 模組
與20 W N6781A 和 N6782A性能相同但是功率可達80 W
N6785A 等同於 N6781A
N6786A 等同於 N6782A
N6785A 用於電池耗電測試
大功率設備電池耗電測試的理想方案 25
N6786A 用於功能測試
N6700 主機和軟體
選擇正確的主機:
直流功率分析儀+ 配套軟體
• 模組化,非常靈活 • 適合研發工程師的各種探究實驗
系統用扁式主機
• 模組化,非常靈活 • 適合系統的高速的測試能力 • 小的尺寸節省系統空間
電池耗電分析的通用平臺
• 30多個模組可工作於任何主機 • 同樣的模組用於 研發, 設計驗證和生產
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N6700 主機和軟體
基於PC 的應用,可以完成前面板不能完成的功能
易用的人機界面
擴展了 N6705B 的功能
波形生成功能(更多波形, 捕獲波形導入功能, 利用公式產生新波形)
示波器和資料記錄器功能 (大的顯示介面, 更多地曲線)
增加的新功能
資料記錄直接存儲的硬碟
記錄波形和重放功能
電池 rundown 測試, 統計分析/CCDF)
支持所有 30多個 N6700 直流模組
14585A 控制和分析軟體
誰需要它?
國防航太
手持終端
平板
軍用電臺
消費電子
手機
平板
電子書
平板手機
半導體
功率器件
• PA, PMIC,
Processors
子積體電
路
醫療
心臟
起搏器
其它植入
設備
汽車
≤ 20 V
娛樂系統
電動汽車
電子
高功率 (> 20 W) 的電池驅動設備
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Output Sequencing:
Timing is everything Can control output sequencing between modules with 1 ms resolution
Can control slew rate from 1 ms to 10 seconds for 0 to max V transition
Useful for powering up devices, PC boards, or subassemblies that require control of multiple bias supplies during startup
Can also set the output off sequence independently
Extendable across mainframes for > 4 outputs
Module 1
Module 2
Module 3
V1
V2
V3
Delay 2
Delay 3
Delay 4
Module 4
V4
OUTPUT ON
Simulating Transients on Vehicle Power System
Noise Test for DC-to-DC Converters
N6705C Setup and Output Desired Power Signal
N6705C Setup and Output Desired Power Signal
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Biasing Multiple Input Voltage Devices in R&D
Ex: ATX PC motherboard requires a specific power-on sequence to power the board
Ex: A disk drive test requires two DC inputs: a 12 V simple bias for basic power and a 5 V test signal. A
drop out pulse of varying width is asserted on the test signal to test how wide a pulse the DUT can handle
Simulating Power Interruptions for DC Input Devices
Desired Power Signal N6705C Setup and Output
Desired Power Signal N6705C Setup and Output
選擇正確的解決方案
推薦使用 N6781A 或 N6785A (取決與所需功率) 模組和 N6705B 主機 (選件 056,軟體 license) 和 14585A 軟體
提高你的手機和設備電池的壽命
http://literature.cdn.keysig
ht.com/litweb/pdf/5991-
0519EN.pdf
使用解決方案手冊
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您還有更多的選擇
N7900A 1KW&2KW APS DC SOURCE
您還有更多的選擇
CX3300 元件電流波形分析儀
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您還有更多選擇
靈活易用的射頻測試方案
助力更可靠的物聯網
降低測試成本
保證產品性能
總結和關鍵點
提高電池的續航時間:
只有是德科技N6780 系列 SMUs 能夠讓你一次完成從 nA 到
A 級電流的視覺化測量,從而幫助你優化電池的續航時間
−出色的源輸出: 準確的模擬電池
−無與倫比的測試功能: 測試你以前認為不可能的測試
−強大的分析功能: 幫你看到你設備耗電的所有細節
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議 程
前言
挑戰耗電量測之天堂路
超~精準之低電壓低功率ADC驗證
16Bits 低功率 ADC驗證測試
OCXO驗證測試
• A/D & D/A converters
• High precision analog IC and circuitry
• RFICs and circuitry
• Voltage controlled oscillators (VCOs)
• Solar cells and the interface circuitry
• Crystal oscillators
Applications
The B2961A/62A Simplifies Electronic Circuit Final Verification, Validation & Debug
Excellent Linearity
Variable
Duty Cycle
6.5 digit source resolution Voltage Source Mode
Current Source Mode
Convenient FG/PG*1) function provides highest accuracy and
stability available (basic accuracy 0.02 %, 1 mHz -10 kHz)
The B2961A/62A is High Speed Current/Voltage Source with
0.02 % basic accuracy & waveform monitor function
*1) FG: Function Generator
PG: Pulse Generator
Ultra-low noise performance down to enables noise sensitive
device development (10 µVrms*2), 1 nVrms/Hz@10 kHz)
*2) 10 Hz to 20 MHz
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ADC的驗證
B2961A/B2962A 低雜訊電源輸出
精準度的比較: ADC (1Vpp 滿量程)
001 010 011 100
LSB
001 010 011 100
LSB
ADC (3V 滿量程) ADC (1V 滿量程)
B2961A/B2962A’s 高精密度和低雜訊的輸出能力 (10 μVrms 雜訊, 6 位半和 100 nV/10 fA 的精度) 能幫助你評估敏感的器件。
AD 轉換器的精度
最小
步電壓
Keithley 2601A/02A
電壓源的表現
B2961A/62A
電壓源的表現
(LSB) 5位半 雜訊
(RMS)
6位半 雜訊
(RMS) 精準度 精準度
8-bit 3.9mV
5μV 3mVrms 100 nV 10 μVrms
(*) 12-bit 244μV
16-bit 15μV
重點: 1.為了降低功耗,AD轉換器的
電壓供電持續地下降。
2.然而,器件的性能卻必須保持或提升。
*) B296xA 和 ULN 濾波器, 10Hz到20MHz帶寬
732μV/step @12-bit, 3V scale
244μV/step @12-bit,1V scale
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低功率裝置之功率分析完全攻略講座 21
Measurement Example using N1294A-020 HC-ULNF Option
Voltage Controlled Oscillator
(Mini-Circuits: ZX95-1200W-S)
Connections
Vcc: B2960A + HC-ULNF
RF Out: E5052B
Oven Controlled Crystal Oscillator
(OSCILLOQUARTZ: 8788-BS)
Connections
Vcc: B2960A + HC-ULNF
RF Out: E5052B
Stable results with sourcing
200 mA current into Vcc
Characteristics are clearly evaluated
using the optional ULNF
The B2961A/62A shows World’s Best Performance for Physics, Chemistry & Biotechnology Evaluation
The B2961A & B2962A are highly stable current/voltage sources ideal for evaluating the
physical properties of materials and many types of samples
• Resolution to nA & µV
• Both DC & Dynamic (1mHz~10kHz) outputs
• Graphene
• Polymers
• Ceramics
• Metals
• Dielectrics
• Semiconductors
• Electrochemical
• Chemical Material
• Organic Material/Device
• Bio sensing
Applications
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低功率裝置之功率分析完全攻略講座 22
Key Features: • Precision : 6.5 digits, 100 nV/10 fA sourcing resolution
• Low Noise : 10 μVrms output noise with optional filter
• Innovative function : Wide output AWG function, programmable output resistance
• Innovative GUI for easy-to-set output and debugging
Introduced Nov 2012
A revolutionary power supply for precision
and low-noise voltage/current sourcing
Qualify • Do you need precise setting resolution?
Sell B2960A series
• Do you need “ultra-low noise” output?
Sell B2960A with N1294A-020 or N1294A-021
• Do you need both ”low noise” and “wide
output”? Sell B2960A with N1294A-022
Competitive advantage (No direct competitor)
Keysight B2960A • Precision 6.5 digit, 100 nV/10 fA resolution
• Innovative GUI
Keysight B2960A
with N1294A-020
• Ultra-low noise output - 10 μVrms
• 21 V / 500 mA output
Keysight B2960A
with N1294A-021
• Ultra-low noise output - 10 μVrms
• 42 V / 105 mA output
Keysight B2960A
with N1294A-022
• Low noise and wide output
• 350 μVrms output noise
• 210 V / 3A DC output range
Model Filter
Option
Voltage Noise Max output Source resolution ARB
10Hz to
20MHz Power Voltage DC Current
Pulse
Current Digit Voltage Current Memory
Built-In
Functions
B2961A
B2962A
--- 3 mVrms 31.8 W ±210 V ±3.03 A ±10.5 A 6 ½ 100 nV 0.01 pA
100 k
points
Sine, Square,
Trapezoid,
Ramp, Triangle,
Exponential
User defined
Low noise 350 μVrms* 31.8 W ±210 V ±3.03 A --- 6 ½ 100 nV 10 pA
Ultra low noise 10 μVrms* 4.4 W ±42 V ±105 mA --- 6 ½ 100 nV 10 pA
High current ultra low noise 10 μVrms* 10.5 W ±21 V ±500 mA --- 6 ½ 100 nV 1 nA
Options and accessories
Model Option Description
B2961A
B2962A
A6J ANSI Z540 compliant calibration
UK6 Commercial calibration certificate
with test data
1CM Rack mount kit
N1294A
001 Banana-triaxial adapter for 2-wire
002 Banana-triaxial adapter for 4-wire
020 High current ultra low noise filter
021 Ultra low noise filter
022 Low noise filter (210 V/3 A)
031 GPIO-BNC Trigger adapter
Dramatically reduced by low
noise filter option
Noise level of typical
switching power supply
議 程
前言
挑戰耗電量測之天堂路
超~精準之低電壓低功率ADC驗證
滴水Blue~抓緊漏電流完整測試量測
電容漏電流測試
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漏電流量測
– 主要分為Floating&Grounded
不同元件的測試方式
漏電流量測
利用B2980A系列進行量測
參考文獻:http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5992-
1307EN.pdf?id=2693044
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Well-Proven, Specialized Accessories Are Available Accessories Optimized for Efficient High R Measurement
16008B
Resistivity cell
• for measurement of surface
or volume resistivity of
insulation materials
16339A
Component test fixture
• for measurement of SMD,
lead and various types of
devices
N1414A
High resistance measurement
universal adapter
• for simplifying the cabling
when making resistance
measurements
16117B/C
Test lead
• 350 μVrms noise density
• Up to 210 V, 3 A
N1413A
High resistance meter fixture
adapter
• for connection with
16008B, 16117B/C and
16339A
Accessory catalog for B2900 family is available:
http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5991-3878EN.pdf
Keysight B2980A Series Key Specifications
Model Number Femto/Picoammeter Electrometer
B2981A B2983A B2985A B2987A
Measurement resolution 6½ digits 6½ digits 6½ digits 6½ digits
Current measure range 2 pA – 20 mA 2 pA – 20 mA 2 pA – 20 mA 2 pA – 20 mA
Min. resolution 0.01 fA 0.01 fA 0.01 fA 0.01 fA
Resistance measure N/A N/A 10 PΩ 10 PΩ
Voltage measure range N/A N/A 2 V, 20 V 2 V, 20 V
Input resistance N/A N/A > 200 T > 200 T
Charge measure resolution N/A N/A 1 fC 1 fC
Voltage source N/A N/A Up to ±1000 V Up to ±1000 V
Min. resolution N/A N/A 700 μV 700 μV
Temp. measurement N/A N/A
Humidity measurement N/A N/A
Battery operation N/A N/A
Reading rate (rdg/s) 20,000
Control Interface GPIB, USB 2.0, LAN(LXI Core 2011)