在额定电压下，物联网 (IoT) 装置的模块间工作电流往往得锱铢必较，以「奈米」尺度做计算，才能符合低噪声、低功耗需求 (P=I x V，功率为电流、电压乘积)。是德科技 (Keysight) 资深项目经理祁子年认为，这意谓装置在设计上除了减少电流消耗，也要顾及实际应用细节，这也为量测带来诸多挑战。他以无线医疗装置为例，因为电池的供电有限，又需透过蓝芽与智慧手机配对连结，电量掌握与数值读取格外重要；确保用户能如常追踪生理信息，供医师作为诊疗参考或在数据出现异常时自动上传。同时，了解电力消耗情况和剩余电量，知道何时该充电。
祁子年表示，电池供电的装置多会采用电源管理方案来节能，而等待逾时 (wait for timeout) 和休眠、待机的时间点拿捏、装置的灵活使用效率与电池续航力息息相关。对开发人员来说，利用示波器长时间记录电流变化，累积时间与电流数据做积分、仿真耗电情境，找出电流波动的峰值极限 (Peak limit) 是关键。若运作中的电流超出可输出的容量太多，装置的电力很快就会耗尽；而如何分析电流在实际情境下的脉冲、减少超标峰值出现机率、降低充放循环等，都有赖精确量测仪器做辅助。而一般分流器 (Shunt) 搭配数据撷取 (DAQ) 设备是最常见的简易量测方式，但却有以下诸多缺点。
照片人物：Keysight 资深项目经理祁子年
IoT 连网装置电流变动大，传统示波器难侦测
「使用分流器做电流转换的峰值电压容易出界，即使是一般直流电源，待测物的瞬时电压亦可能超出范围，须花费很多心力去选用不同的分流器、长时间记录需要编程和数据误差修正等」，祁子年一语道出问题点。他说明，传统测试设备大都有固定偏移误差，会限制电池的电流量测抽载讯号的表现。偏偏 IoT 连网装置的动态范围很大，连网瞬间的电流会急升至安培 (A) 等级，休眠时又回落至奈米安培 (nA)；而一般示波器侦测到 100 微安培 (µA) 已是极限，且纵轴电流分辨率只有 8～10 位；加上选择适当分流以量测到极低电流，并在高电流下耐受负担电压几乎不可能，记录时间又不够长，根本不足以应对。
「使用分流器做电流转换的峰值电压容易出界，即使是一般直流电源，待测物的瞬时电压亦可能超出范围，须花费很多心力去选用不同的分流器、长时间记录需要编程和数据误差修正等」，祁子年一语道出问题点。他说明，传统测试设备大都有固定偏移误差，会限制电池的电流量测抽载讯号的表现。偏偏 IoT 连网装置的动态范围很大，连网瞬间的电流会急升至安培 (A) 等级，休眠时又回落至奈米安培 (nA)；而一般示波器侦测到 100 微安培 (µA) 已是极限，且纵轴电流分辨率只有 8～10 位；加上选择适当分流以量测到极低电流，并在高电流下耐受负担电压几乎不可能，记录时间又不够长，根本不足以应对。
Keysight N6705B 直流电源分析仪，将逾 30 种不同供电模型、数字电压表／电表、任意波形产生器和示波器整合在一台单机上，在几分钟内就获得量测结果；而N6780A 系列的电池仿真器更特意拉开观测级距、单次量测就能同时看到 nA～A 极端宽幅变化，进一步改善电路设计。采用自有专利「无间断量测范围调整」技术，N6780A 只须单次量测即可分析装置关机、休眠及传输模式的电流，省去执行多次量测扫描的麻烦。不过，如 N6784A 等 SMU 仅能仿真静态状况，无法捕捉昙花一现的波动。
图1：Keysight N6705B 直流电源分析仪
数据源：Keysight 官网
表：适用于 N6700 模块化电源系统
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产品型号 |
功能说明 |
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N6781A |
II 象限电源量测设备，适用于电池耗电分析 (20 W) |
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N6782A |
II 象限电源量测模块，适用于功能测试 (20 W) |
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N6784A |
IV 象限通用型电源量测模块 (20 W) |
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N6785A |
II 象限电源量测设备，适用于电池耗电分析 (80 W) |
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N6786A |
II 象限电源量测模块，适用于功能测试 (80 W) |
「电源供应器」动态仿真电池行为
此时，可模拟电池行为、经由电流—电压对照表换算电量 (单位：库伦 Coulomb，符号C) 的「电源供应器」(Power Supply)，便派上用场，但前提是速度要够快，否则仍无法抓到瞬时波形。「除了电流，启动时序亦动见观瞻，因为装置里的众多模块可能不只吃一个电源，必须留意其间的交互作用」，祁子年强调。他举例，手机或平板计算机就是典型的多任务装置，为尽可能延长工作时数，CPU、内存和显示器的功耗须个别记录，以估算瞬间最大耗电，进而透过电源管理单元 (PMU) 智能关闭部分系统。
此时，可模拟电池行为、经由电流—电压对照表换算电量 (单位：库伦 Coulomb，符号C) 的「电源供应器」(Power Supply)，便派上用场，但前提是速度要够快，否则仍无法抓到瞬时波形。「除了电流，启动时序亦动见观瞻，因为装置里的众多模块可能不只吃一个电源，必须留意其间的交互作用」，祁子年强调。他举例，手机或平板计算机就是典型的多任务装置，为尽可能延长工作时数，CPU、内存和显示器的功耗须个别记录，以估算瞬间最大耗电，进而透过电源管理单元 (PMU) 智能关闭部分系统。
他还提到，电池充放电是以零电量充饱至 100% 为一个循环 (从 0.3V 充至 4.2V)；电量用罄时，一开始充电的电流不能太大、速度不能过快，否则有爆掉风险。据研究，从 30% 上升到 80% 是充电最快的阶段。基于上述原则，用以记录电池充电循环及特性，并进行充、放电仿真的电源管理芯片 (PMIC) 扮演举足轻重的角色。祁子年归纳，电源供应器的作用在于：1.模拟充、放电过程因内阻而引起的电压下降；2.兼具示波器与任意波形产生器功能；3.允许编程，给定测试条件；而任意波形的最大好处就是可以重现电源时序并可「重复验证」。
量测电流、功耗之余，亦可反向评估效能
N6780 可程控输出电阻、准确模拟电池供电，提供稳定无突波的电源并汲入电流 (充电／电子负载)；其数字转换器每隔 5 微秒 (更新率为 200 kHz) 便可量测、记录，并供应电压、电流，分辨率为 18～28 位。搭配 14585A 软件即具示波器、数据记录器和 CCDF (互补累进分布函数) 功能，方便查看、分析短期与长期功耗状态，包括一闪而过的细微异样。事实上，它不只有 I、II 第一象限的正向供电及负载功能，亦能切换至压降补偿模式、零负担电压分流的「电表」模式 (如图 3 所示)，执行耗电测试以评估装置的实际效能表现。
N6780 可程控输出电阻、准确模拟电池供电，提供稳定无突波的电源并汲入电流 (充电／电子负载)；其数字转换器每隔 5 微秒 (更新率为 200 kHz) 便可量测、记录，并供应电压、电流，分辨率为 18～28 位。搭配 14585A 软件即具示波器、数据记录器和 CCDF (互补累进分布函数) 功能，方便查看、分析短期与长期功耗状态，包括一闪而过的细微异样。事实上，它不只有 I、II 第一象限的正向供电及负载功能，亦能切换至压降补偿模式、零负担电压分流的「电表」模式 (如图 3 所示)，执行耗电测试以评估装置的实际效能表现。
图2：N6781A / 82A / 84A 效能规格特性
数据源：Keysight 官网
图3：一般电表、示波器测试电流时，待测物会有电压压降反应
数据源：Keysight 提供
随着低功耗期望不断升高，藉量测电流波形、准确预估低位准电流及功耗似乎也被列入常规任务，但背景噪声和有限频寛却常是量化评估、呈现清晰波形的障碍。Keysight CX3300 系列「组件电流波形分析仪」有三种电流传感器，可检测 100 pA ～ 10 A、最大带宽 200 MHz 的不同动态电流位准，在单次量测实现 5 倍频的动态范围量测，量测功率和电流分布；亦可使用被动式探棒转接器量测动态电压波形，据以计算并显示功耗波形。它内建自动电源／电流特性分析、功率量测精灵、FFT 分析仪与统计分析等功能，可加速分析量测资料，无需求助外部程序等，可以用作「超低动态电流测试」的平台。
图4：CX3300 系列组件电流波形分析仪的所有主机，都具有频谱和统计等分析功能
数据源：Keysight 官网
