标签: 无缝量程技术

对于使用充电电池的手机和其它移动设备来说 ， 充电管理功能会影响电池的短期和长期性能。验证电池的充电过程和完成状态，是确保几个共同优化的电池性能特性满足设计目标的关键任务，包括： •        充电时间 •        电池寿命和安全性 •        对电池性能的担保声明 •        运行时间 •        管理故障条件   虽然所有这些因素都很重要 ， 但根据特定的移动设备 ， 每个因素的重要性常常有所不同。例如，对于电池内置于移动设备中并且很难替换的产品，如 iPad, MP3 播放器和蓝牙耳机，我们会将电池寿命置于第一考虑因素   验证移动设备的电池充电管理功能，需要高精度、高速记录电压和电流数据， 并将测量设备对被测件的影响降至最低。   图 1 描述以通用设备为基础 ， 评估移动设备的电池充电特性。您需要两个通道同时测量。一个通道用于记录充电电流，另一个通道用于记录电池电压。两者共同提供验证充电特性和管理功能的关键信息。 由于其优异的尺寸、重量和能量密度 ， 锂电池是绝大多数移动设备充电电池的最佳选择。充电电压电平或浮动电压控制必须极为精密；与浮动电压相差仅 10 mV 或约 0.25% ，就 可导致充电量相差 10% 。 而 50 至 100 mV 的误差可引起过充等安全问题。因此，为了避免对充电性能造成影响，分流器的阻抗造成的压降必需非常小， 而数据采集设备的电压测量精度必需非常高。此外，更复杂的充电管理技术不断得到应用，许多技术采用各种动态激励来确定充电时的电池特性   您需要良好的动态测量性能和精确的直流测量结果。而这些要求，对数据采集设备性能提出了相当高的挑战。   电池充电特性测试实例 ：   我们以 Agilent N6781A SUM 电源模块 为基础 ， 使用图 2 描述的设置测量 GPRS 智能手机的电池充电特性。 N6781A 具有测评电池供电产品的专用特性，并提供许多独特的优势：   •        电流测量的 零压降特性 ， 可确保精确的同时，不影响被测件。 •        内置辅助电压测量，同时记录电池充电电压。 •        无缝量程调节功能，在高动态范围内提供精确的测量结果。 •        高测量带宽和高速数字化功能可捕获动态活动的详情。 •        数据记录模式能够在较长的时段内连续进行高速数字化。 如图 3 所示 ， 使用 Agilent 14585A 软件捕获和显示电池充电特性测量结果。观察结果包括： •        在 7 小时内完成充电。 •        充电电流是高速脉冲而非直流信号 ， 与最小值和最大值包络迹线描述的一样 （ 可通过基本的快速测量数字化功能显示 ） 。 •        并非使用锂电池传统上采用的恒流 （ CC ） / 恒压 （ CV ） 充电特性 ，依次递减的 电流可使电池在达到 4.199 V 的目标浮动电压时完成充电。 •        根据这些结果，我们可以得出： •        快速充电并不是首要的。相反 ， 慢速充电适用于在一个晚上对电池完全充电。 •        4.199 V 的最终充电浮动电压，被认为最适用于平衡长期循环寿命和电能存储量。   通过该实例可以看出 ， 验证电池充电特性测试可以获得独特且有用的信息 ， 以补充优化移动无线设备电池寿命的其它测试方法。 观看该应用提示的视频演示，请访问： http://v.youku.com/v_show/id_XNDY4NDQ3NDA4.html?f=17996506  

   在文章 零压降动态电流测量 – 程控电源技术和应用（ 33 ） 中 ， 我们谈到了 Agilent N6781A 2 象限 SMU 电源模块 零压降测量动态电流的能量。就是将 N6781A 串联在电流回路中，充电电流表的角色。 N6781A 具有无缝测量范围切换特性，可测量从纳安级至 +/-3 A 的最大电流值。 当然，安捷伦的 N6782A 电源模块也有同样的功能。 但有些工程师希望利用这个方法，测量更高的动态和峰值电流。当然，一个方法就是采用安捷伦最新的 APS 电源。另一个方法，也可以利用现有的 N6782A SMU 电源模块，配合 N6705 直流电源分析仪中的更大电流的模块一同来使用。 有位 用户使用N6782A已经很长时间了，他非常喜欢 N6782A 的功能。 但他有个的产品，在待机和休眠状态下，耗电电流在几微安， 一旦被唤醒， 产品进入工作状态，其工作电流可以到达 6A ， 甚至更高。 N6782A 的电流为 +/- 3 A ，不足以满足这个产品的测试要求。 我们为他设计了一个巧妙的方法，利用N6705B直流电源分析仪和 N6782A SMU 模块，再配上另外一个高性能、大电流的模块，一起完成这项工作。 图 1 是系统 设置.   图 1 ： 与处于活动状态的大电流结合时 ， 微安电流测量的设置     在这个系统配置中， N6705B 主机不仅装入了 N6782A SMU 模块，还插入了 N6752A 自动量程的高性能模块，100W功率，50V的最大电压和10A的最高电流，用这个模块为被测件提供更高的功率。 N6782A 可作为零压降的电流表使用，与 N6752A 的输出端串联。当电流范围在几微安至 +/- 3 A 之间时，电流直接通过 N6782A ，将其 输出电压保持在零，它就工作在零阻抗的电流测量状态。一旦电流超过 +/- 3 A 时， N6782A 会启用电流限制功能，输出端上的电压升高，是其中一个背靠背连接的钳位二极管打开，超过 3A 的电流通过这个二极管流过。 通过图 2 中的 14585A 软件可以观察到上述情景。蓝色轨迹是 N752A 的输出电流。中间的黄色轨迹是 N6782A 的电流，顶部的黄色轨迹是 N6782A 的电压。此时的峰值电流，由N6752A模块直接测量，最高可达10A。   图 2 ： 14585A 软件捕获了图 1 设置中的电流和电压信号 图 2 中 ，我们把 测量标尺放置了睡眠电流上 ， 根据 N6782A 的测量回读可知 ， 电流平均值仅为 1.458 微安。这都要归功于零压降的工作特性。由于 N6782A 的输出电压此时保持为零，二极管内不会有电流经过。如果使用传统的电流表或分流器，电压将会升高，电流将会流经二极管，从而干扰测量。 现在 ， 用户能够通过 N6782A 测量 睡眠时微安级的电流， 而出现工作状态的高峰值电流时，转为利用 N6752A 测量。 类似的，另一个用户希望能够执行电池耗尽过程的测试。 N6781A 采取零压降电流测量模式，记录电池电流，于此同时， N6781A 上还有一个单独的数字电压表，可同电压下降过程，如果电流在 3A 一下，这种测试方法就非常理想。但用户有更高功率的器件，这个器件在启用时会消耗 3 A 以上的电流，超出了 N6781A 的电流限制。电流限制可能导致 N6781A 退出零压降的电流测量模式，器件也可能受到过低电压的影响自动关闭。对这个测量，我们可以采用类似的 解决方案：将背靠背连接的二极管添加到 N6781A ，如图 3 所示。 任何超过 3 A 的电流都会流经二极管。使用肖特基二极管时，短时峰值电流一旦超过 3A ，电池电压会暂时下降十分之几。用户能够使用 N6781A 进行电池耗尽过程的测试，并通过 14585A 软件记录全部结果！   图 3 ： Agilent N6781A 电池耗尽测试设置 ， 使用钳位二极管 ， 峰值功率超过 3A 了解 N6705 和 N6780 系列电流无缝量程技术更多信息和应用，可观看优酷上的视频： http://www.youku.com/playlist_show/id_17066502.html

越来越多的电子产品在使用电池供电。这不仅包括我们每天都在使用的手机、便携式电脑、蓝牙等产品，还有心脏起搏器、便携式监护仪、无线传感器、胎压监测等待。对于所以这些设备，延迟电池使用寿命是对设计人员永远的挑战。因此，利用精确的测量手段，准备评估产品硬件和软件的设计，至关重要的。   在对这类产品的运行时间进行评估有一种方法 ： 使用程控电源对设备供电 ， 使设备处于各种工作模式 ，再测量 在不同工作模式下的电流消耗。评估过程需要根据不同的用户类型、每种工作模式所花费的时间、以及电池容量来计算出电池运行时间。直流电源必须在被测器件上维持稳定、无瞬态变化的电压。但是，很多产品的工作电流是动态的，例如手机、无线传感器等， 其电流可能会瞬间从休眠状态的微安级，瞬间上升到数百毫安，甚至安培级。因而许多通用电源产品无法适用。在这种高要求的测试中，不仅需要直流电源能够提供稳定的电压，还具备其它几个优势： 非常快速的瞬态响应能力，在电流出现高动态范围变化时，输出仍然能稳定。 无线移动设备需要高峰值、低平均值的电流。为了准确表征电流，需要电源内置动态电流回读特性，能够直接读取被测件的电流特性。这样，就无需在测试电路中加入电流测量的分流器，从而产生压降问题。   一个有效的方法，就是 使用实际的电池来替代程控电压源对设备供电。这样可以在更短的周期内针对不同的工作模式执行典型的电流消耗测量，并对电池运行时间进行预测。除了典型的电流消耗测量之外，您还可以连续监测电池的耗尽过程，从而得到更深入的分析结果： 电池低电压放电截止情况。 电池实际提供的电池容量和能量。 实际运行时间。 电池和器件配和使用的情况。   电池耗尽测试是电池性能验证不可或缺的一部分。   正如同评估电池耗尽过程一样 ， 这种方法 还能够评估电池充电和管理性能。通过对电池直接对设备供电，来验证充电管理性能，可以得到很多参考价值。   利用电池直接验证设备的充、放电性能时 ， 必须面对的首要挑战， 就是要精确地测量、记录电池电流消耗随时间的变化 ， 并且观测电池电压 ， 准确测量电池容量和能量。第二个测试挑战是：在测量电流时，被测件和电池之间的连接回路不能产生任何明显的压降，否则将会改变被测件的充放电性能。因此，如果在回路中加入分流器来测量电流，显然有很大的问题。   为了解决这个问题，一种方法是使用零压降的电流测量。 实际上，绝大多数的电流测量方法，是利用电流通过一个指定电阻时产生的压降，通过欧姆定律来算出电流值。但在安捷伦 N6781A 和 N6782A 的 2 象限 SMU 电源模块上， 就有这项特殊的功能，它既可以最为电源输出，又可串入电流测量回路，零压降地测量电流。这样， N6781A 可用于评估电池供电设备的电池耗尽过程和电池充电性能，如图 1 所示。   图 1 ： N6781A 零压降电流和功耗测量         N6781A 在零压降测量电流时，可以把输出电压调节为零 ， 与流经的电流没有关联。 N6781A 串联在被测件 和电池之间，由于其输出电压为 0 V ，因而不会产生压降。 N6781A 的测量动态电流时，采用内部的 28bit, 200KSa/s 采样率的无缝量程技术，精确测量动态电流。 此外，精密的电流测量系统现在能够测量放电或充电电流。 同时，该模块另外还有一个的电压测量端口，可用于电池电压的连续测量，使您能够捕获电池的放电或充电电压曲线，确定安培时和瓦时，如图 2 所示。     图 2 ： 使用 14585A 软件捕获、显示和评估电池的下降测试结果   有关更多 N6781A SMU 模块精密分析无线通信设备的视频，请访问： http://www.youku.com/playlist_show/id_17066502.html        

每天，在您用手机或 Pad 上网的时候，您会关注网络质量吗？还会关心电池剩余电量吗？如果你不关心这个，那想必是生活在杨过和小龙女的时代了。   Palm 公司 CEO Jon Rubinstein 曾经断言无线通信行业的发展将受限于两个方面，带宽和电池容量。谁都无法忍受随时面临断电的手机。不仅是整机厂家对功耗严格要求，手机的零部件供应商、甚至想 MS 这样为手机做操作系统的厂家，也把功耗问题提示到了极高的优先级。有些情况下，似乎功耗远远比芯片或软件的其他性能更为重要。所有的这一切，都是为了我们手上的手机能工作更长的时间，避免您每天生活在寻找充电器的焦虑之中。   这不仅仅限于手机行业。在医疗电子、胎压监测、无线传感器、无线电表等等诸多的电池供电的设备，也同样对功耗有着苛刻的需要。            所有这些产品的精密功耗测试是极具挑战性的。它们的共同特点是：电流是动态变化的。为了省电，手机里的各个零部件都做了最大程度的优化，在不工作的情况下进入关闭或休眠状态，直到被唤醒才开始工作。这些频繁的模式切换带来了密集的脉冲电流变化。而变化速度往往高达 KHz 甚至 10KHz 以上。精确的电流测量需要兼顾采样率和测量精度，从微安到毫安，以及到安培级别的连续电流变化中，保持 50~100KHz 的采样率，才能捕捉到所需要的电流脉冲并进行测量。电流变化的动态范围会到达 50-100dB! 无论是 8bit 或 12bit 的示波器，还是传统的数字万元表，对如此高动态范围、高变化速度电流的精确测量，都是无能为力的。            这种及其具挑战的测试需求，促使了安捷伦的工程师开发出了 无缝量程切换技术 （ seamless ranging ），来帮助工程师应完成精确的表征和测试。传统的测量仪表内部只有一块 AD 芯片，它们需要你的帮助来选择合适的量程，因为它们永远无法预知下面的信号是否超出了自己的测试范围。如果超过了，它们只能发出报错，并告诉你它们已经尽力而为了。无缝量程切换使用了多块并行处理的 AD 芯片，各自工作在自己的量程下，同时并行的在各自的量程内采集数据。仪表所做的是在不同的时刻，选择不同的数据源，并把这些数据按时间先后顺序连接在一起。这个过程里不会丢失任何数据，所有的测量值被连续记录，并在量程切换处顺滑的连接测量结果。通过这样的方式，我们可以等效得到 28bit 的量化分辨率，同时保持较高的采样率。 从纳安级电流到安培级电流，第一次实现了连续不间断的测量。而每一个数据点，都达到了最高的精度指标。你所需要的只是把量程设为 Auto ( 这次是真的自动 ) ，然后等待你所需要的数据结果，在这个过工程里，不论你的手机工作在什么模式下，它可以打电话，可以播放 mp3 音乐，可以上网发几条微博，所有这些操作所对应的电流变化都会被完整记录，而且非常精确。   安捷伦在 N6781A SMU 电源模块上提供了三个可以无缝切换的量程， 3A ， 100mA 和 1mA ，在这三个量程下，最高的测量精度可以达到 0.025% + 100nA ，而采样率可以达到最高 200K 次每秒。 N6781A SMU 模块工作在 N6705B 直流电源分析仪中。在供电的同时，精密测量被测件的静态和动态工作电流     图 3 对比显示在无缝量程切换功能开启或关闭情况下，对同一脉冲电流测量的寄过，可以看到左下小图中可以精确测量出底电流部分的电流值，而在固定量程下，右下小图底电流完全被量化噪声淹没。 无缝量程技术是安捷伦的专利技术。专利的拥有者是我以前文章中介绍过的那位英语不及格的大牛 Russ 先生。 http://forum.eet-cn.com/BLOG_ARTICLE_16456.HTM 关于无缝量程技术的视频，可以访问优酷： http://v.youku.com/v_show/id_XMzU0NTkyMDYw.html?f=17066502

看了这个题目，大概没有人会相信我谈的是一个地地道道的美国工程师。当我们国内的年轻工程师从小学就开始的十多年，为英语耽误了大量美好的时光的时候， 就有这么一位超级工程师大牛，正宗的美国人，凭借他的智慧和“玩”法，在测试测量行业获得了令人瞩目的成绩。   在上一篇文章中， 我谈到了另一位大牛 Bob 发明的 N6705 直流电源分析仪， 在 2010 年时， 在 N6705 的平台上有了一项新技术， 那就是高动态范围的电流测量技术，我们称之为无缝量程切换技术。   这是在 N6781A 的 SUM 模块上实现的。 这项技术的核心， 就是一个 28bit, 采样率为 200KHz 的数字化仪， 用于从 100na – 3A 超大动态范围电流的连续采集和测量。 这相当于一台 200KHz 采样率的 8 位半数字电流表！我们知道， 目前 8 位半的数字表测量速度仅有约 0.2 次 / 秒。 示波器的采样速度很快， 但分辨率只有 8bit 。 无缝量程切换这个技术要比示波的分辨率高出 20bit, 相当于数百万倍！ 这就像是在给高达近 9 千米的珠穆朗玛峰拍摄一张全景照，分辨率可小于 0.1mm ， 而且速度极快 ! 这个世界领先的技术， 已经广泛应用在目前最热的智能手机及其部件、元器件的动态精密耗电分析， 以及心脏起搏器、无线智能传感器等的耗电分析， 为延长这些产品的电池供电寿命做着无法替代的贡献。   这项专利的拥有者之一， 就是那位英语不及格超级大牛，安捷伦新泽西电源工厂的技术专家 Russ Clugg.   Russ 今年 50 来岁， 个头不高， 腰围不小。带着浓重的纽约口音和土语，说话时是像总是含着一块热山芋， 非常难听懂。 他出生在一个地道的美国蓝领家庭， 兄弟几位， 数他读书最多， 也就是在一个三流的大学读到本科毕业。 从小就不是好学生，甚至由于刚上大学时英语不及格， 被分到给外国学生补习英语的班上，成为这个班上唯一一位母语是英语的学生， 当时同学们的一个笑柄。                            我和  Russ  在 安捷伦新泽西的电源工厂          使他成为顶级技术专家的， 是他对所从事技术工作的执着和热爱， 尤其使他“玩”的精神。 他年轻时， 那些枯燥乏味的传统教育使他疲惫不堪，好在美国的教育制度容忍这样的学生存在。 正是充满了自我意识和“玩”的精神，他成为了一个顶级的电源技术专家。以下几件事情， 都是他给我讲的， 告诉我他是怎么“玩”的。        从 18 岁开始到现在， 曾经有过 20 多辆车，还有不少摩托车，差不多都是 2 手的。 现在开着一辆超过 300 马力的福特 2 座敞篷跑车， 也是二手的。 由于车太小， 每次他必须费劲把自己庞大的身躯塞进座椅。开起来颇有过山车的感觉， 他极其以此为乐。 由于有个儿子在当地警察局， 他的超速单总是被特殊处理，而且他还是“模范驾驶员”！ 真是“有人的地方就有江湖啊”！               10 岁就开始学修车， 家里有一整套包括车检电脑在内的家当。 他告诉我， 有几次用很便宜的价格从别人那里买来有故障的二手车， 花一点代价修好之后， 再用 2-3 倍的价格卖出。 我告诉他， 我也是从 10 岁开始学修车， 不过是自行车， 现在这门手艺也已经没用了。        帮咖啡店修咖啡机，赚得不少外快。 这是他非常引以自豪的事情。 在他家周围有几家咖啡连锁店， 如果咖啡机坏了，店里的人更愿意给他打电话， 他修咖啡机又快， 质量又好。 Russ 每次修咖啡机， 不仅能挣到比公司上班高得多的时薪， 而且还有免费的顶级咖啡试喝。他声称， 那辆价值 3 万美元的福特跑车就是修咖啡机挣来的。                        更让人匪夷所思的是， Russ 最近还获得了一项特殊荣誉: 新泽西社区学校的优秀志愿者教师，专业当然还是他钟爱的"电子工程”。 美国有很多非营利的社区专业学校，有点像中国的成人教育学院， 多数的老师都是志愿者。Russ 悲惨英语并没有成为他获得这项殊荣的障碍。也许这就是发达国家和发展中国家的差距吧！        好了，我讲这个故事，倒不是对中国的教育有什么偏见，毕竟我和很多周围的同事都是在这个教育体系下学出来的。只是我想说，这个教育体系能给可怜的学生们再多一点机会、多一点出路就好了。“天生我才必有用”，如果遵循我们那些教育板砖家们设计的考试选材方式， 我真的不敢相信有多少 Russ 这样的天才会被拍死！  所以，那些英语至今还是磕磕巴巴的年轻工程师们，挺起自己的腰板，你同样有机会“玩”出世界级的成就！       如果你希望更多了解一些有关 Russ 的专利技术“无缝量程切换的动态电流测量”，可以去优酷网上看相关视频： http://v.youku.com/v_show/id_XNTAzMTU2Njcy.html?f=17066502       我也想给电子工程专辑的博客年轻编辑们提个建议， 专门设计一个专题， 也让我们国内的年轻工程师们晒一晒自己“玩”的经历和故事。