功耗分析测试概况

目前，世上万物的互联程度越来越高。大量传感器和物联网 (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，电流能耗低，当设备运行或通信时，电流能耗大，并且电流波形多样复杂，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 设备模式转换速度快。

测试挑战 2：需要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 较快的变化。

►特性 3. 精确测量在低电压与低电流状态下的 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，休眠时电压较低，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：要求电源具有较低的电流过冲与较快的恢复能力。

►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，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快速的变化。

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，都有较大的提升。

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：要求电源具有较低的电流过冲与较快的恢复能力。

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较小，恢复时间快，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。

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。