低功耗军用无线通信终端动态功耗分析技术

AgilentMeasurementForum低功耗军用无线通信终端动态功耗分析技术孙川系统仪器工厂AgilentMeasurementForum2低功耗军用无线通信系统设计和优化的关键技术之一：电池寿命、设备重量、设备尺寸、发热管理该专题谈论的重点Æ军用无线终端动态电流特性表征的各种手段军用无线通信从基本靠喊开始AgilentMeasurementForum3•军用无线终端动态电流的表征、分析和面临的挑战•动态电流表征的手段和各自的优势及缺点–电流探头+示波器或数字化仪–电流测试的分流器+示波器或数字化仪–高性能DC电源的特殊功能•利用高性能电源特殊功能表征动态电流的方法–66319D无线通信电源+16545B分析软件–N6705A直流源分析仪+高性能或精密模块•总结和问题回答议程AgilentMeasurementForum4无线通信终端的动态电流动态电流：无线终端系统、器件、子系统等在工作过程中变化的电流•射频功率放大器在发射脉冲时瞬间的大电流•为了更有效利用电池能量，电路在休眠、唤醒、待机、通信过程中的电流有很大的变化•动态频率调节•动态电压调节•硬件(FPGAs)和软件的重新配置–软件无线电–自识别无线电台AgilentMeasurementForum5动态电流表征的重要性优化低功耗•最小的平均电流并不代表最长的电池寿命•持续的高电流脉冲会降低电池的效率•适当间歇性的低电流又会使电荷恢复，提高电池寿命动态电流表征的意义在于•确定高拖拽和低工作电流的周期和幅度•明确闭锁或浪涌状态•在休眠、待机和关机状态确保电流值符合设计要求•对不规则电流的测量不仅作为功率优化的手段，也是系统调试的一个工具AgilentMeasurementForum6表征动态电流面临的挑战•测量陡峭的电流上升和下降的变化，要求您必须要考虑：•测量的采样率、分辨率和精度•测量带宽•电压的瞬态响应•被测件的输入电容•休眠、关机状态电流的测量•高测量动态范围•电压电流:脉冲1A，而平均电流10mA•在电流表征的时候，不能改变电路特性AgilentMeasurementForum7•军用无线终端动态电流的表征、分析和面临的挑战•动态电流表征的手段和各自的优势及缺点–电流探头+示波器或数字化仪–电流测试的分流器+示波器或数字化仪–高性能DC电源的特殊功能•利用高性能电源的特殊能力表征动态电流的方法–66319D无线通信电源+16545B分析软件–N6705A直流源分析仪+高性能或精密模块•总结和问题回答议程AgilentMeasurementForum8方法一:示波器或数字化仪+电流探头优势:•高带宽、高动态测量范围•利用多通道示波器，能将电流信号和其他模拟/数字信号的变化关联起来缺点:•低电流的测量能力,1mA•很难探测电路板上布线的电流•低分辨率和精度•高噪声，对温度变化非常敏感•偏置漂移需要经常性的校准•在自动测试系统中很难使用•在电路中引入了阻抗•在100KHz是典型值是100mΏAgilentMeasurementForum9方法一:示波器或数字化仪+电流探头电流探头噪声和偏置漂移实例:噪声降低了电流探头测量的精度和分辨率偏置漂移使电流探头很难应用在自动测试中CurrentProbeNoiseCurrentProbeNoiseWithBandwidthLimitZeroOffsetErrorAfterfourhoursAgilentMeasurementForum10方法二:示波器（或数字化仪）+分流器优势:•小电流的测量能力•在特定的电流范围有较好的测试精度•利用多通道示波器，能将电流信号和其它模拟/数字信号的变化关联起来•较低的成本缺点:•分流器会引入额外的阻抗，在低电压电路（如1.8VCPU或FPGA供电电路）中使用可能会导致电路实效•非常差的动态测量范围•分流器必须植入电流，使用比较复杂•线绕电阻会限制带宽•可能需要差分浮地测量•发热和漂移问题AgilentMeasurementForum方法二:示波器或数字化仪+分流器分流器高侧测量和低侧测量分流器高侧测量:•需要2通道实现单端的输入测量•需要浮地输入，以提高共模噪声抑制比(CMR)•必须使用差分输入可以实现最高的CMR,达到最安全和最高精度的效果分流器低侧测量•能使用单端输入•使用差分输入可以实现最高的精度:•避免地环路的误差•避免寄生电阻•在有些情况下该接入方法可能无法使用AgilentMeasurementForum方法二:示波器或数字化仪+分流器RC效应:•由于分流器寄生电容形成的RC网络，电流需要较长的稳定时间•RC网络影响电路电流的上升和下降时间•电容会引入额外的滤波，并影响瞬态响应Noshuntwith100uFInputCap0.1OhmShuntwith100uFInputCapAgilentMeasurementForum13方法三:高性能直流电源的特殊功能优势:•大动态范围电流的测试能力•高分辨率和高精度•精确的小电流测量能力•不会给电路带来额外的阻抗•一体化的测试方案，简便易用缺点:•测量带宽比较低高性能直流电源必须具备的能力:高速响应、快速上升、下降、高测量精度和分辨率、用于电流、电压高速测量的数字化仪，以及小电流测量能力AgilentMeasurementForum14方法三:高性能直流电源的特殊功能N6705AscreenshotofcurrentpulsesN6705Ameasuringrisetimeusingmarkers高性能电源测量电流信号的带宽:•10KHz的测量带宽分别测量10us和100us电流的上升时间•实际上升时间≈10us•DC源实际测量时间Æ36us•实际上升时间≈100us•DC源测量时间Æ101.5us高性能模块电流的测试带宽受到了一定的限制AgilentMeasurementForum15方法三:高性能直流电源的特殊功能高性能电源的其它能力:•快速瞬态响应恢复。典型值100us•更小的瞬态电压跌落实例中出现0.5A电流尖峰脉冲•高性能电源瞬态压降：117mV•普通通用电源瞬态压降:176mV•更多的电流测试量程：最多有3个电流测试量程•小电流测量能力可以到1uA•其它特性•大功率任意波性发声器•类似于示波器的显示方式•内置的长期数据记录功能•多通道的上升和下降时序控制BasicDCsourcetransientresponseEx1DCsourcetransientresponseAgilentMeasurementForum16方法三:高性能直流电源的特殊功能66319D无线通信电源的测量能力:•~30KHz的测量带宽•电流上升的实际时间~10us•66319D实际测试13.6us•瞬态响应时间35us实例中出现0.5A电流尖峰脉冲•66319D的瞬态电压跌落:113mv•通用电源的电压跌落：176mV•负载大范围变化时能保证电压的高稳定性•16bit测量分辨率•其它特性•电池内阻仿真•耗电特性分析软件（选件）Ex2DCsourcetransientresponseAgilentMeasurementForum17•军用无线终端动态电流的表征、分析和面临的挑战•动态电流表征的手段和各自的有优势及缺点–电流探头+示波器或数字化仪–电流测试的分流器+示波器或数字化仪–高性能DC电源的特殊功能•利用高性能电源特殊功能表征动态电流的方法–66319D无线通信电源+16545B分析软件–N6705A直流源分析仪+高性能或精密模块•总结和问题回答议程AgilentMeasurementForumPage1866319D无线通信电源测试和分析动态电流•利用实际使用过程中的电池或电源，最接近真实的结果•不会由于分流器的存在引起电压降，被测件可得到全部的电池电压•非常适用于系统在使用电池或燃料电池时的持续耗尽测试•具体细节请参阅安捷论的应用文章AN1427(5988-8157EN)在被测件和供电电池之间，串联一个高性能的双象限电源，充当内阻为零的电流分流器和高性能、高速电流表AgilentMeasurementForumBatteryDrainAnalysisCopyright©2008AgilentTechnologPage1966319D内部的零电阻分流器内部有源电路补偿了出现的压降好处:•分流器的接入不会引起被测件两端电压的下降•利用被测件自身的电池或电源实现高动态范围的测量++--ILOADILOADRSHUNTVSHUNT(1xVSHUNT)VDROP=ZEROAgilentMeasurementForumAgilent66319D电流测试方式和能力•3个电流量程，可以分别测量各种模式下的电流•5A,1A量程档测量通话的电流尖峰和工作模式下的峰值和平均电流•1A和0.02A量程档测量待机、休眠的电流，以及关机状态下的漏电流•DSP用于脉冲信号的快速测量•内置的高速数字化仪•64K采样率、16bit分辨率的数字化仪采集快速变化的动态电流•DSP计算RMS,High,Low,Min.&Max等测试参数•配合14565B图形化软件进行更多的的显示和分析，无需特殊编程.AgilentMeasurementForumAgilent14565B耗电特性分析软件CCDF是柱状种统计图形•X轴显示电流或电压值大小，Y轴显示该电压或电流值在时间轴上出现的百分比•累计时间从10秒到1000小时•最高波形捕捉速率可达到64KHz功能#2：长时间电池电流耗尽曲线的捕获•可以同时采样电池电压值用以描述电池供电特性•在放电起始点和耗尽点的标记用于描述:–工作时间–毫安-时的电容量–瓦特-时的能量功能#1：显示瞬态电流的波形•64KSa/s,16bit分辨率，4K存储深度•内置测量功能可以推算相应的工作时间和电池电流•测量包括峰值、平均值、最大、最小及时间关系AgilentMeasurementForumN6705A直流分析仪测试和分析动态电流单台仪器中整合多种测试仪器的功能，为研发工程师大幅度提高工作效率短时间内快速详细的掌握在各种情况下DUT的工作情况而不需要写一行代码!•1至4路高性能电源输出•数字电压表和电流表•带功率输出的任意波形发生器•示波器•数据采集•所有的测量和功能都能通过前面板实现AgilentMeasurementForumN6705A在动态电流表征中的应用•设置和监测多路上电、下电的顺序•控制直流电压的上升速度，最高摆率25,000V/s•测量和显示电压、电流、功率相对于时间的关系•产生瞬变或干扰电压，以观察被测件的响应•从秒级到数日的数据采集，长时间观察电流消耗和捕获异常的变化•启动或浪涌电流的测量•测量被测件所需的峰值功率AgilentMeasurementForumAgilentN6705A指标和动态电流的测量能力输出通道数:总输出功率:单路最大电流:单路最大电压:单路输出的功率:电流测量精度:示波器:Arb带宽:数据记录仪采用率：数据纪录仪采集间隔:内部纪录长度:1-4DC电源模块600W(4路功率的总和)50A；可通过并联获得最高100A的电流100V;可通过串联获得最高240V的电压50W,100W,300WUpto0.5%+0.1μA(超精密模块)Upto0.1%+20mA(高性能模块)100kHz数字化仪,256K存储深度、最高18bits分辨率高性能模块：最高4.5KHz，通用模块：260Hz64K点100KHz20us–1s最大64MB,non-volatile取决于模块的性能AgilentMeasurementForumN6705ADC直流源分析仪的价格范围21种模块，可配置一套定制的系统系统的价格范围$7000to$20000600W主机总功率:配置1-4个模块，每一路输出均有DMM,示波器，大功率任意波形发生器，数据采集功能通用直流模块(16个型号):50W,100W,300W;最高电压100V,最高电流20A高性能直流模块(3个型号):50W,100W,300W;最高电压60V,最高电流5