功耗测试解决方案

功耗分析测试概况

目前，世上万物的互联程度越来越高。大量传感器和物联 (IoT) 设备被用于工厂和家居领域。其中的许多产品使用低电压、低电流、可充电或不可充电的小型电池。

考虑到高昂的更换成本和环境问题，电池需要具备较长的使用寿命。设计和选择 IoT 设备时，电池使用寿命是一个重要因素。随着万物互联程度越来越高，用户的待机需求越来越高，用电设备的功耗分析，也变得越加重要。

功耗测试的特性与挑战

IoT设备绝大多数时间处于休眠状态，电流能耗非常低，当设备运行或通信时，电流能耗非常大，并且电流波形非常多样复杂，会在休眠状态和工作状态来回切换，电流从几mA到几百mA来回快速切换。

IoT设备特性及测试挑战：

?特性1. 有些IoT设备拥有高达15种不同的休眠模式，取决于该设备正在处理的工作，某些特定的组件是否参与工作。

测试挑战1：要求电源具有宽电流动态范围，从几nA到几A，以涵盖DUT的休眠模式和工作模式。

?特性2. IoT设备模式转换速度非常快。

测试挑战2：需要非常快速的负载恢复时间，以满足DUT的快速切换需求。

需要足够高的采样速率以测量DUT极快的变化。

?特性3. 精确测量在超低电压与超低电流状态下的IoT设备的真实功耗。

测试挑战3：要求电源具有高精度，并且可以得到长时间/高采样率数据记录以便后续分析。

?特性4. 系统纹波噪声很可能盖过非常微小的电压与电流信号，所以除了测量信号本身之外，还需要测量噪声。

测试挑战4：要求电源具有低纹波噪声与线性结构。

?特性5. IoT 工作电压会低至+0.5 V dc，休眠时电压会非常低，特别是长时间休眠状态。

测试挑战5：要求电源具有远程监控。

?特性6. IoT 设备器件对电流敏感，电流的过冲容易导致设备敏感器件损坏。

测试挑战6：要求电源具有极低的电流过冲与极快的恢复能力。

?特性7. IoT 设备工作时无法直接将测试引线连接到IC，测试结果波形会受IoT设备的输入电容影响。

测试挑战7：要求电源具有电容补偿能力。

罗德与施瓦茨解决方案

现代直流电源具备高级性能和高精度测量功能，使用简单且经济实惠，非常适用于此类测量任务。R&S?NGL200、R&S?NGM200和R&S?NGU201专用电源与SMU具备出色的分辨率。R&S?NGU201 系列的分辨率可达 1uV/100pA，能够进行准确测量，轻松满足目前 IoT 设备所用标准的相关要求。

针对前文所提测试挑战，罗德与施瓦茨解决方案如下：

?测试挑战1：要求电源具有宽电流动态范围，从几nA到几A，以涵盖DUT的休眠模式和工作模式。

罗德与施瓦茨解决方案1：R&S专业电源具有足够宽的电流动态范围，R&S?NGU201的电流范围从-8A~+8A，分辨率高达100pA，足以涵盖DUT的休眠模式和工作模式。

图1 R&S NGU201回读分辨率表格

?测试挑战2：需要非常快速的负载恢复时间，以满足DUT的快速切换需求。需要足够高的采样速率以测量DUT极快的变化。

罗德与施瓦茨解决方案2：R&S专业电源依赖先进的线性设计，负载响应恢复实际可以低至30us以内，相对于传统电源，不论是电压过冲还是电压跌落还是恢复时间，都有极大的提升。

图2 R&S专业电源负载恢复响应电压波形与普通电压的对比

?测试挑战3：要求电源具有高精度，并且可以得到长时间/高采样率数据记录以便后续分析。

罗德与施瓦茨解决方案3：罗德与施瓦茨专业性电源分辨率可达6.5位，R&S?NGU201电流回读精度可达<0.025%+15nA，可满足uA级别的IoT设备功耗分析。

图3 R&S?NGU201电流回读精度表格

R&S专业型电源的数据记录采样率可高达500kSa/s，可每2us记录一组电压/电流值，记录结果可保存在外插的U盘中，也可通过免费上位机软件存储在电脑上，满足用户长时间/高采样率数据记录需求，面对极短时间的异常，也可顺利捕获。

图4 R&S专业电源FastLog采样率对比通用电源标准采样率

?测试挑战4：要求电源具有低纹波噪声与线性结构。

罗德与施瓦茨解决方案4：罗德与施瓦茨专业型电源采用先进的线性结构设计，纹波噪声低至<500uV，满足苛刻的纹波噪声供电需求。

图5 R&S专用电源纹波噪声实测值为273uV

?测试挑战5：要求电源具有远程监控。

罗德与施瓦茨解决方案5：罗德与施瓦茨电源均支持SCPI程控指令，支持各种主流开发工具，支持通用的USB、LAN、GPIB等接口外，还可支持WLAN, 数字I/O接口。

?测试挑战6：要求电源具有极低的电流过冲与极快的恢复能力。

罗德与施瓦茨解决方案6：R&S?NGU系列电源具有电流有些模式，相比传统电源的电压优先模式，电流优先模式将电流的过冲压制到极小，恢复时间极快，特别适合电流敏感元器件，是保护DUT的正确选择。

图6 R&S专用电源电流优先模式对比传统电源电压优先模式

? 测试挑战7：要求电源具有电容补偿能力。

罗德与施瓦茨解决方案7：R&S?NGU系列电源具有高电容补偿模式，可补偿DUT输入端的电容，补偿步骤可调，从1μF到100μF。

–标准回读模式 –高电容回读模式

图7 R&S 专用电源高电容模式对比标准模式

综上所述，罗德与施瓦茨专用电源的高纯度、高精度、高速度以及独特的测量、分析功能，可在现代化功耗分析测试中，为用户提供强而有力的武器，事半功倍。