穩健實現物聯網願景,低功耗元件設計好幫手,以往看不到的電流波形現在都測得準

物聯網(IoT) 正在改變我們的日常生活,然而不論是穿戴式或其他各種 IoT 裝置,都極度要求低功耗,以便達到十年以上不需更換電池。在休眠時耗電只須極少,以低功率藍牙為例,因為 BLE 裝置多半時間都處於休眠模式,使其成為決定總功耗的主要因素,小至 uA(micro 安培)或更小。問題是目前許多行動裝置元件的電流量測大多停留在 mA(milli 安培),好像用「鐵杵來繡花」精準度極為不足。

為了讓客戶更準確地檢視元件的功耗變化,電子量測大廠 是德科技(Keysight Technology)推出 CX3300 系列「元件電流波形分析儀」幫助客戶看到問題、解決問題達到真正的低功耗穩健實現物聯網願景。

 

物聯網即將飛速成長,電子業也在開發消費性、工業用及醫療領域等各種 IoT 應用。 這些穿戴裝置或 物聯網裝置 往往要求極高的電池續航力以便能夠長時間運作 。舉例來說物聯網公共建設感測裝置、人體醫療器具等等,使用壽命達十年以上,無法動輒更換電池。 這類裝置大部分時間是默默收集資訊,處於離線的低功耗休眠狀態,當須要把數據放送出去時才啟動較高功耗傳輸模式。

問題來了,這個物聯網裝置如何確定它在休眠時真正達到低功耗,而不致耗電過多,導致裝置的生命週期還沒到,電池已經先掛點,這就要仰賴裝置裡的每一個元件,例如微處理器在研發階段就準確地達到低功耗。只是低功耗元件的量測何其敏銳,設計工程師須要足夠靈敏的儀器幫忙,才能看到以往測不出來的耗電量波形,進而改善元件設計。

是德科技新推出的 CX3300 系列元件電流波形分析儀,被喻為 低功耗元件 設計工程師的最佳幫手 ,可提供 150 pA 位準,200MHz 頻寬及高達 1 GHz 的取樣率,檢視畫面比市面上任何一款電流量測儀器更為精密。

是德科技行銷處資深專案經理郭丁豪表示 CX3300 系列的最小可量測動態電流能達到 150pA ,遠比數位電表的靈敏度更高。另外觀察電流的波形必須透過取樣,取樣率愈高電流波形更不易失真,才能準確找出耗電的問題。而 CX3300 系列的取樣率在 16 位元高解析環境下,取樣率可達到 75 MSa/s (每秒擷取 7500 萬個樣本),14 位元解析度下,取樣率可達 1GSa/s,可細部呈現波形崎嶇之處,深入探討耗電的情況加以改善。

郭丁豪針對 CX3300 系列與市面上量測儀器的優劣比較提出分析。他說研發工程師為了降低元件功耗,必須量測動態電波的波形並予以除錯,但目前以前市面上的儀器有三大限制。

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一、動態範圍有限

舉例來說裝置進入低功率的休眠模式時元件消耗的電流將降到最低例如 1 μA,但在運作模式時耗電通常超過 10mA 這麼寬的動態範圍難以透過單次量測就完成。 是德科技的 CX3300 系列電流量測範圍只須執行單次量測,就可看到休眠和運作模式的電流波形。

二、頻寬有限

市面上儀器通常無法兼顧高解析度和較寬的頻寬 。倘若以高解析度進行低位準電流的波形量測,就必須犠牲頻寬,若進行寬頻量測,則解析度會降低。是德科技的 CX3300 系列具備寬頻量測功能,可擷取狹窄陡峭的峰值或突波電流,並以高達 200MHz 的最大頻寬、1GHz 的最大取樣率、和 256MB 的記憶體深度,輕鬆消除非預期雜訊或其他干擾。

三、需使用多部儀器

工程師通常會使用萬用電錶來量測平均的休眠模式電流,另使用示波器來擷取運作模式電流,再以手動估算總功率和電流消耗。但這些數據並不可靠,必須投入很多時間進行驗證。是德的 CX3300 除了擷取電流波形,還能搭配被動式電壓探棒同時擷取電壓波形,方便工程師精準估算功耗。另外 CX3300 也配備觸控螢幕和直覺的圖形操作介面毋需花費寶貴時間來重新熟悉。

是德指出 CX3300 適合幾大領域的應用,低功耗藍芽 (BLE, Bluetooth Low Energy) 元件、物聯網裝置元件、NVM 永久性記憶體,或任何在意低功耗又需改善電流迅速變化。

以 BLE 為例,BLE 元件大多時間處於休眠,因此必須精準量測休眠時的消耗電流,使其幾近於零才能讓總功耗達到設定的目標。另外在運作模式下電流位準較大對功率消耗有顯著影響,而且裝置內部的各種元件如微處理器 (MCU)、直流對直流轉換器、電路週邊設備等都會改變電路的運作。

面對這麼複雜的狀況工程師可利用 CX3300 的寬動態範圍,在單次量測中同時查看休眠和運作的電流波形,再搭配 CX3300 各式分析功能,例如快速傅立葉轉換 (FFT)、長條圖或後置濾波器就能很快擷取目標電流波形進行產品開發、除錯或故障排除。

此外 CX3300 也適用 NVM 永久記憶體的電流波形觀察。NVM 不止用於智慧手機也應用在物聯網, 裝置業界一直在努力提升下一代 NVM 的效能。許多新式 NVM 記憶體其設定重置狀態的脈衝通常不到 1 μS(微秒 10 的負 6 次方秒),這種高速量測速度太快,無法用傳統的 SMU 來記錄資料,目前常用的反而是 示波器

但示波器有其限制,例如無法直接量測電流必須搭配 I/V 轉換器把電流轉成電壓,但這將導致頻寬靈敏度受限。CX3300 的問世使得上述問題迎刃而解,因配備超寬頻低電流感測技術能夠,輕鬆地觀察到過去無法看到的快速電流波形,讓分析變得輕而易舉。

為了降低無線通訊造成的功耗,全球標準組織正在定義全新的低功耗運作模式,各家廠商也在積極開發嵌入式處理器的最佳設計,延長電池續航力。 一個物聯網裝置要整合的元件太多包括感測、處理、控制及通訊等等,不僅要計算它們的功耗,還要考慮電源供應、類比及混合信號元件、數位及射頻子系統等變因來進行控制。 因此不論是在研發或量產階段,都需要高效能的儀器來進行快速、經濟且有效的驗證。

是德科技指出「CX3300 系列元件電流波形分析儀 ,突破了低功率物聯網元件的量測瓶頸,利用實用的分析功能,例如自動功率和電流特性分析、功率量測精靈、FFT 分析儀與統計分析功能等,它能幫助工程師看到問題,減少裝置功耗,搶在對手之前,更快速實現物聯網的應用。」

 

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(圖片來源:是德科技,首圖來源:Flickr,本文提供合作夥伴轉載。)

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