Nieuwe SMU's om de levensduur van de batterij in IoT en halfgeleiders te optimaliseren

Rohde &Schwarz heeft zijn intrede op de markt voor bronmetingseenheden (SMU) aangekondigd, met twee nieuwe instrumenten voor het analyseren en optimaliseren van de levensduur van batterijen voor internet of things (IoT)-toepassingen en voor het testen van halfgeleidercomponenten.

De nieuwe R&S NGU-reeks bronmeeteenheden (SMU's) wordt gelanceerd met twee modellen, R&S NGU201 en R&S NGU401. Deze units markeren de intrede van Rohde &Schwarz op een nieuwe markt, met producten die gelijktijdige stroom- en spanningsopwekking en -meting mogelijk maken. Dit is een klasse instrumenten die gelijktijdig spanning of stroom kunnen leveren in een goed gecontroleerde modus en de overeenkomst tussen spannings- en stroomwaarden op het te testen apparaat kunnen meten. De R&S NGU201 met twee kwadranten is bedoeld voor het testen van batterijen van draadloze apparaten, terwijl de R&S NGU401 met vier kwadranten kan overschakelen naar negatieve spanningen en een veel groter spanningsbereik ondersteunt voor het testen van halfgeleiders.

Philipp Weigell, directeur productbeheer en planning voor stroomproducten, meters, bronnen en audioanalysatoren bij Rohde &Schwarz, zei dat de ware definitie van een bronmeeteenheid er een is die zeer nauwkeurige sourcing-, laad- en meetfuncties biedt. De duurdere NGU401 komt overeen met de strikte definitie van een SMU, in die zin dat deze vier kwadranten source of sink-werking biedt met willekeurige polariteit; dit maakt het bij uitstek geschikt voor het testen en karakteriseren van halfgeleiders. De andere twee belangrijke sectoren die door de nieuwe KMO's worden aangepakt, zijn precisie-elektronica, evenals onderzoek en onderwijs.

De SMU definiëren

Een SMU is een instrument dat een signaalgenererende functie en een meetfunctie op dezelfde pin of connector combineert. Het kan spanning of stroom genereren en deze tegelijkertijd meten, en omvat effectief de capaciteit van een voeding of golfvormgenerator, een digitale multimeter, een stroombron en een elektronische belasting.

SMU-instrumenten worden gebruikt in testsystemen om zowel spanning als stroom te meten. Ze maken snelle metingen van stromen (of spanningen) mogelijk als functie van variabele spanning (of stroom), terwijl ze een grafische interface hebben en meerdere computeropties en systeembussen zoals GPIB, Ethernet en USB.

SMU's maken de karakterisering van veel halfgeleiders mogelijk en met name de nauwkeurige meting van IV-parameters en kenmerken van fotovoltaïsche cellen of LED-diodes, inclusief kortsluitstroom, nullastspanning en maximaal vermogen. Karakterisering van halfgeleiders is een voorbeeld van een toepassing die stroomgevoeligheden in het nano- of microampèrebereik vereist. Bovendien kan de vraag naar hogere nauwkeurigheid, hoge snelheid, externe spanningsdetectie en vierkwadrantmetingen een traditionele programmeerbare voeding onvoldoende maken.

Het SMU-instrument is een precisiebronelement dat een meetresolutie van minder dan 1 mV biedt. Ze hebben vierkwadrantuitgangen op een IV-vlak, wat betekent dat ze positieve spanning en stroom (kwadrant 1), negatieve spanning en positieve stroom (kwadrant 2), negatieve spanning en negatieve stroom (kwadrant 3) of positieve spanning en negatieve stroom kunnen leveren (Kwadrant 4).

De nieuwe eenheden

Moderne circuits vereisen verschillende niveaus van spanning en/of stroom in verschillende bedrijfstoestanden. Het simuleren van een opstartvolgorde van een ingebed systeem vereist bijvoorbeeld bepaalde spannings- en stroomprofielen. Profielanalyse is van cruciaal belang om het stroomverbruik te optimaliseren.

De R&S NGU SMU's omvatten zes stroombereiken, van 10 µA met een resolutie van 100 pA tot 10 A met een resolutie van 10 µA. Voor alle bereiken wordt een nauwkeurigheid tot 0,025% bereikt. Spanning wordt gemeten met een resolutie van 10 µV in het 20-V-bereik en 1 µV in het 6-V-bereik. De R&S NGU heeft een variabele capaciteitsmodus die kan worden aangepast in stappen van 1 µF tot 470 µF, waardoor de capaciteit wordt gecompenseerd, zodat de stroom wordt weergegeven alsof deze rechtstreeks op het geteste apparaat wordt gemeten. Apparaten tot 20 V, 8 A en 60 W worden ondersteund.

De grootste markt voor de vierkwadrant R&S NGU401 is het testen van halfgeleiders. Het biedt metingen in het bereik van –20 V tot 20 V. Het bevat een snelle stroomaanpassingsmodus om schade aan gevoelige apparaten zoals LED's te voorkomen. Een speciale uitgang maakt het instrument tot een AC-bron voor het simuleren van storingen.

De R&S NGU201 met twee kwadranten is geoptimaliseerd voor analyse van batterijprestaties voor een reeks IoT-apparaten. Ontwerpers kunnen het gebruiken om echte batterijkenmerken te simuleren. Met zijn maximale stroom van 8 A ondersteunt het instrument ook snellaadtoepassingen.

Weigell benadrukte hoe cruciaal het is om oplaadbare batterijen te simuleren en te testen om betere prestaties te leveren in draagbare apparaten. Overladen en intense ontlading verkorten de levensduur van de batterij en kunnen thermische problemen veroorzaken, zoals oververhitting. "Veel batterijen worden gebouwd door veel cellen parallel te plaatsen", zegt Weigell. “In deze gevallen is het van cruciaal belang om de laadstatus te controleren; verschillende waarden kunnen de totale capaciteit van de batterij beperken. Daarom is het van cruciaal belang om de batterijbeheersystemen te testen die de toestand van de batterijen bewaken en controleren. Tests moeten alle omstandigheden simuleren die zich tijdens bedrijf kunnen voordoen. Om een ​​batterijmodel te definiëren, kunnen de gegevens van de batterij in een vooraf gedefinieerde tabel worden ingevoerd. De R&S NGU-voeding simuleert de werkelijke uitvoerprestaties van de batterij.”

Met een acquisitiesnelheid tot 500 ksamples per seconde zijn spannings- en stroomresultaten elke 2 µs beschikbaar. De R&S NGU gebruikt stroomterugkoppelingsversterkertechnologie voor een hoge nauwkeurigheid, zoals aangegeven in de onderstaande afbeelding.

De levensduur van de batterij is een winnende factor die draagbare apparaten een lange levensduur kan bieden. Hoog dynamisch bereik (nA tot A), tijdresolutie (statusschakelaars) en simulatie van verschillende batterijen zijn de belangrijkste kenmerken die een typische instrumentatie moet hebben.

"De typische voeding zou de spanning regelen, dus als je de spanning regelt, gaat de stroom omhoog en kan je LED vernietigen", zei Weigell. "Dus in wezen heb je een voeding nodig die regelt op de stroom, in de huidige prioriteitsmodus. En dit is iets wat je ook zult vinden in het MKB.”

De laatste tijd heeft de toenemende vraag naar energie-efficiëntere en milieuvriendelijkere producten de sector van de vermogenshalfgeleiders nieuw leven ingeblazen. SMU's maken de karakterisering van veel halfgeleiders mogelijk en zullen een plaats vinden in de automobiel- en mobiele markten voor de karakterisering van batterijen, die steeds belangrijker worden.