在額定電壓下，物聯網 (IoT) 裝置的模塊間工作電流往往得錙銖必較，以「奈米」尺度做計算，才能符合低噪聲、低功耗需求 (P=I x V，功率為電流、電壓乘積)。是德科技 (Keysight) 資深項目經理祁子年認為，這意謂裝置在設計上除了減少電流消耗，也要顧及實際應用細節(jié)，這也為量測帶來諸多挑戰(zhàn)。他以無線醫(yī)療裝置為例，因為電池的供電有限，又需透過藍芽與智慧手機配對連結，電量掌握與數值讀取格外重要；確保用戶能如常追蹤生理信息，供醫(yī)師作為診療參考或在數據出現異常時自動上傳。同時，了解電力消耗情況和剩余電量，知道何時該充電。
祁子年表示，電池供電的裝置多會采用電源管理方案來節(jié)能，而等待逾時 (wait for timeout) 和休眠、待機的時間點拿捏、裝置的靈活使用效率與電池續(xù)航力息息相關。對開發(fā)人員來說，利用示波器長時間記錄電流變化，累積時間與電流數據做積分、仿真耗電情境，找出電流波動的峰值極限 (Peak limit) 是關鍵。若運作中的電流超出可輸出的容量太多，裝置的電力很快就會耗盡；而如何分析電流在實際情境下的脈沖、減少超標峰值出現機率、降低充放循環(huán)等，都有賴精確量測儀器做輔助。而一般分流器 (Shunt) 搭配數據擷取 (DAQ) 設備是最常見的簡易量測方式，但卻有以下諸多缺點。
照片人物：Keysight 資深項目經理祁子年
IoT 連網裝置電流變動大，傳統示波器難偵測
「使用分流器做電流轉換的峰值電壓容易出界，即使是一般直流電源，待測物的瞬時電壓亦可能超出范圍，須花費很多心力去選用不同的分流器、長時間記錄需要編程和數據誤差修正等」，祁子年一語道出問題點。他說明，傳統測試設備大都有固定偏移誤差，會限制電池的電流量測抽載訊號的表現。偏偏 IoT 連網裝置的動態(tài)范圍很大，連網瞬間的電流會急升至安培 (A) 等級，休眠時又回落至奈米安培 (nA)；而一般示波器偵測到 100 微安培 (µA) 已是極限，且縱軸電流分辨率只有 8～10 位；加上選擇適當分流以量測到極低電流，并在高電流下耐受負擔電壓幾乎不可能，記錄時間又不夠長，根本不足以應對。
「使用分流器做電流轉換的峰值電壓容易出界，即使是一般直流電源，待測物的瞬時電壓亦可能超出范圍，須花費很多心力去選用不同的分流器、長時間記錄需要編程和數據誤差修正等」，祁子年一語道出問題點。他說明，傳統測試設備大都有固定偏移誤差，會限制電池的電流量測抽載訊號的表現。偏偏 IoT 連網裝置的動態(tài)范圍很大，連網瞬間的電流會急升至安培 (A) 等級，休眠時又回落至奈米安培 (nA)；而一般示波器偵測到 100 微安培 (µA) 已是極限，且縱軸電流分辨率只有 8～10 位；加上選擇適當分流以量測到極低電流，并在高電流下耐受負擔電壓幾乎不可能，記錄時間又不夠長，根本不足以應對。
Keysight N6705B 直流電源分析儀，將逾 30 種不同供電模型、數字電壓表／電表、任意波形產生器和示波器整合在一臺單機上，在幾分鐘內就獲得量測結果；而N6780A 系列的電池仿真器更特意拉開觀測級距、單次量測就能同時看到 nA～A 極端寬幅變化，進一步改善電路設計。采用自有專利「無間斷量測范圍調整」技術，N6780A 只須單次量測即可分析裝置關機、休眠及傳輸模式的電流，省去執(zhí)行多次量測掃描的麻煩。不過，如 N6784A 等 SMU 僅能仿真靜態(tài)狀況，無法捕捉曇花一現的波動。
圖1：Keysight N6705B 直流電源分析儀
數據源：Keysight 官網
表：適用于 N6700 模塊化電源系統
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產品型號 |
功能說明 |
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N6781A |
II 象限電源量測設備，適用于電池耗電分析 (20 W) |
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N6782A |
II 象限電源量測模塊，適用于功能測試 (20 W) |
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N6784A |
IV 象限通用型電源量測模塊 (20 W) |
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N6785A |
II 象限電源量測設備，適用于電池耗電分析 (80 W) |
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N6786A |
II 象限電源量測模塊，適用于功能測試 (80 W) |
「電源供應器」動態(tài)仿真電池行為
此時，可模擬電池行為、經由電流—電壓對照表換算電量 (單位：庫倫 Coulomb，符號C) 的「電源供應器」(Power Supply)，便派上用場，但前提是速度要夠快，否則仍無法抓到瞬時波形。「除了電流，啟動時序亦動見觀瞻，因為裝置里的眾多模塊可能不只吃一個電源，必須留意其間的交互作用」，祁子年強調。他舉例，手機或平板計算機就是典型的多任務裝置，為盡可能延長工作時數，CPU、內存和顯示器的功耗須個別記錄，以估算瞬間最大耗電，進而透過電源管理單元 (PMU) 智能關閉部分系統。
此時，可模擬電池行為、經由電流—電壓對照表換算電量 (單位：庫倫 Coulomb，符號C) 的「電源供應器」(Power Supply)，便派上用場，但前提是速度要夠快，否則仍無法抓到瞬時波形。「除了電流，啟動時序亦動見觀瞻，因為裝置里的眾多模塊可能不只吃一個電源，必須留意其間的交互作用」，祁子年強調。他舉例，手機或平板計算機就是典型的多任務裝置，為盡可能延長工作時數，CPU、內存和顯示器的功耗須個別記錄，以估算瞬間最大耗電，進而透過電源管理單元 (PMU) 智能關閉部分系統。
他還提到，電池充放電是以零電量充飽至 100% 為一個循環(huán) (從 0.3V 充至 4.2V)；電量用罄時，一開始充電的電流不能太大、速度不能過快，否則有爆掉風險。據研究，從 30% 上升到 80% 是充電最快的階段。基于上述原則，用以記錄電池充電循環(huán)及特性，并進行充、放電仿真的電源管理芯片 (PMIC) 扮演舉足輕重的角色。祁子年歸納，電源供應器的作用在于：1.模擬充、放電過程因內阻而引起的電壓下降；2.兼具示波器與任意波形產生器功能；3.允許編程，給定測試條件；而任意波形的最大好處就是可以重現電源時序并可「重復驗證」。
量測電流、功耗之余，亦可反向評估效能
N6780 可程控輸出電阻、準確模擬電池供電，提供穩(wěn)定無突波的電源并汲入電流 (充電／電子負載)；其數字轉換器每隔 5 微秒 (更新率為 200 kHz) 便可量測、記錄，并供應電壓、電流，分辨率為 18～28 位。搭配 14585A 軟件即具示波器、數據記錄器和 CCDF (互補累進分布函數) 功能，方便查看、分析短期與長期功耗狀態(tài)，包括一閃而過的細微異樣。事實上，它不只有 I、II 第一象限的正向供電及負載功能，亦能切換至壓降補償模式、零負擔電壓分流的「電表」模式 (如圖 3 所示)，執(zhí)行耗電測試以評估裝置的實際效能表現。
N6780 可程控輸出電阻、準確模擬電池供電，提供穩(wěn)定無突波的電源并汲入電流 (充電／電子負載)；其數字轉換器每隔 5 微秒 (更新率為 200 kHz) 便可量測、記錄，并供應電壓、電流，分辨率為 18～28 位。搭配 14585A 軟件即具示波器、數據記錄器和 CCDF (互補累進分布函數) 功能，方便查看、分析短期與長期功耗狀態(tài)，包括一閃而過的細微異樣。事實上，它不只有 I、II 第一象限的正向供電及負載功能，亦能切換至壓降補償模式、零負擔電壓分流的「電表」模式 (如圖 3 所示)，執(zhí)行耗電測試以評估裝置的實際效能表現。
圖2：N6781A / 82A / 84A 效能規(guī)格特性
數據源：Keysight 官網
圖3：一般電表、示波器測試電流時，待測物會有電壓壓降反應
數據源：Keysight 提供
隨著低功耗期望不斷升高，藉量測電流波形、準確預估低位準電流及功耗似乎也被列入常規(guī)任務，但背景噪聲和有限頻寛卻常是量化評估、呈現清晰波形的障礙。Keysight CX3300 系列「組件電流波形分析儀」有三種電流傳感器，可檢測 100 pA ～ 10 A、最大帶寬 200 MHz 的不同動態(tài)電流位準，在單次量測實現 5 倍頻的動態(tài)范圍量測，量測功率和電流分布；亦可使用被動式探棒轉接器量測動態(tài)電壓波形，據以計算并顯示功耗波形。它內建自動電源／電流特性分析、功率量測精靈、FFT 分析儀與統計分析等功能，可加速分析量測資料，無需求助外部程序等，可以用作「超低動態(tài)電流測試」的平臺。
圖4：CX3300 系列組件電流波形分析儀的所有主機，都具有頻譜和統計等分析功能
數據源：Keysight 官網
