Neue SMUs zur Optimierung der Batterielebensdauer in IoT und Halbleitern

Rohde &Schwarz hat seinen Eintritt in den Source Measurement Unit (SMU)-Markt mit zwei neuen Instrumenten zur Analyse und Optimierung von Batterielebensdauertests für Internet-of-Things (IoT)-Anwendungen und zum Testen von Halbleiterkomponenten angekündigt.

Die neue R&S NGU-Serie von Source Measurement Units (SMUs) startet mit zwei Modellen, R&S NGU201 und R&S NGU401. Diese Geräte markieren den Eintritt von Rohde &Schwarz in einen neuen Markt und bieten Produkte an, die eine gleichzeitige Strom- und Spannungserzeugung und -messung ermöglichen. Dies ist eine Klasse von Instrumenten, die gleichzeitig Spannung oder Strom in einem gut kontrollierten Modus liefern und die Übereinstimmung von Spannungs- und Stromwerten am zu prüfenden Gerät messen können. Der R&S NGU201 mit zwei Quadranten zielt auf Batterietests von drahtlosen Geräten ab, während der R&S NGU401 mit vier Quadranten auf negative Spannungen umschalten kann und einen viel breiteren Spannungsbereich für Halbleitertests unterstützt.

Philipp Weigell, Leiter Produktmanagement und Planung für Leistungsprodukte, Messgeräte, Quellen und Audioanalysatoren bei Rohde &Schwarz, sagte, die wahre Definition einer Quellenmesseinheit sei eine, die sehr genaue Quellen-, Lade- und Messfunktionen bietet. Der höherwertige NGU401 entspricht der strengen Definition einer SMU, da er einen Vier-Quadranten-Quellen- oder -Senkenbetrieb mit beliebiger Polarität bietet; Damit ist es ideal geeignet, um Halbleiter zu testen und zu charakterisieren. Die anderen beiden Schlüsselsektoren, die von den neuen SMUs adressiert werden, sind Präzisionselektronik sowie Forschung und Bildung.

Definition der SMU

Eine SMU ist ein Instrument, das eine Signalerzeugungsfunktion und eine Messfunktion an demselben Pin oder Anschluss kombiniert. Es kann Spannung oder Strom erzeugen und gleichzeitig messen, was effektiv die Leistungsfähigkeit einer Stromversorgung oder eines Wellenformgenerators, eines Digitalmultimeters, einer Stromquelle und einer elektronischen Last umfasst.

SMU-Instrumente werden in Testsystemen verwendet, um sowohl Spannung als auch Strom zu messen. Sie ermöglichen schnelle Messungen von Strömen (oder Spannungen) als Funktion variabler Spannungen (oder Ströme) und verfügen gleichzeitig über eine grafische Benutzeroberfläche und mehrere Rechenoptionen und Systembusse wie GPIB, Ethernet und USB.

SMUs ermöglichen die Charakterisierung vieler Halbleiter und insbesondere die genaue Messung von I-V-Parametern und Eigenschaften von Photovoltaikzellen oder LED-Dioden, einschließlich Kurzschlussstrom, Leerlaufspannung und Maximum Power Point. Die Halbleitercharakterisierung ist ein Beispiel für eine Anwendung, die Stromempfindlichkeiten im Nano- oder Mikroamperebereich erfordert. Darüber hinaus kann die Nachfrage nach höherer Genauigkeit, hoher Geschwindigkeit, Fernspannungsmessung und Vier-Quadranten-Messungen eine herkömmliche programmierbare Stromversorgung unzureichend machen.

Das SMU-Instrument ist ein Präzisions-Sourcing-Element, das eine Messauflösung von weniger als 1 mV bietet. Sie haben Vier-Quadranten-Ausgänge auf einer IV-Ebene, was bedeutet, dass sie positive Spannung und Strom (Quadrant 1), negative Spannung und positiven Strom (Quadrant 2), negative Spannung und negativen Strom (Quadrant 3) oder positive Spannung und negativen Strom liefern können (Quadrant 4).

Die neuen Einheiten

Moderne Schaltungen benötigen in unterschiedlichen Betriebszuständen unterschiedliche Spannungen und/oder Ströme. Zum Beispiel erfordert die Simulation einer Startsequenz eines eingebetteten Systems bestimmte Spannungs- und Stromprofile. Die Profilanalyse ist entscheidend, um den Stromverbrauch zu optimieren.

Die R&S NGU SMUs umfassen sechs Strombereiche von 10 µA mit 100-pA-Auflösung bis 10 A mit 10-µA-Auflösung. Für alle Bereiche wird eine Genauigkeit von bis zu 0,025 % erreicht. Die Spannung wird mit einer Auflösung von 10 µV im 20-V-Bereich und 1 µV im 6-V-Bereich gemessen. Der R&S NGU verfügt über einen variablen Kapazitätsmodus, der in Schritten von 1 µF bis 470 µF eingestellt werden kann und die Kapazität so kompensiert, dass der Strom so angezeigt wird, als ob er direkt am Messobjekt gemessen würde. Geräte bis 20 V, 8 A und 60 W werden unterstützt.

Der größte Markt für den Vier-Quadranten R&S NGU401 liegt im Halbleitertest. Es bietet Messungen im Bereich von –20 V bis 20 V. Es verfügt über einen schnellen Stromanpassungsmodus, um Schäden an empfindlichen Geräten wie LEDs zu vermeiden. Ein dedizierter Ausgang macht das Instrument als Wechselstromquelle zum Simulieren von Störimpulsen.

Der Zwei-Quadranten R&S NGU201 ist für die Batterieleistungsanalyse für eine Reihe von IoT-Geräten optimiert. Designer können damit reale Batterieeigenschaften simulieren. Mit seinem maximalen Strom von 8 A unterstützt das Gerät auch Schnellladeanwendungen.

Weigell hob hervor, wie wichtig es ist, wiederaufladbare Batterien zu simulieren und zu testen, um eine bessere Leistung in tragbaren Geräten zu erzielen. Überladung und intensive Entladung verkürzen die Batterielebensdauer und können zu thermischen Problemen wie Überhitzung führen. „Viele Batterien werden gebaut, indem viele Zellen parallel geschaltet werden“, sagte Weigell. „In diesen Fällen ist es wichtig, den Ladezustand zu kontrollieren; unterschiedliche Werte können die Gesamtkapazität der Batterie einschränken. Daher ist es wichtig, die Batteriemanagementsysteme zu testen, die den Zustand der Batterien überwachen und steuern. Tests müssen alle Bedingungen simulieren, die während des Betriebs auftreten können. Um ein Batteriemodell zu definieren, können die Daten der Batterie in eine vordefinierte Tabelle eingegeben werden. Das Netzteil R&S NGU simuliert die reale Ausgangsleistung der Batterie.“

Bei einer Erfassungsrate von bis zu 500 ksample pro Sekunde stehen alle 2 µs Spannungs- und Stromergebnisse zur Verfügung. Der R&S NGU verwendet eine Stromrückkopplungsverstärkertechnologie für eine hohe Genauigkeit, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.

Die Batterielebensdauer ist ein entscheidender Faktor, der tragbaren Geräten eine lange Betriebsdauer bieten kann. Hoher Dynamikbereich (nA bis A), Zeitauflösung (Zustandsschalter) und Simulation verschiedener Batterien sind die Hauptmerkmale, die eine typische Instrumentierung haben muss.

„Das typische Netzteil würde die Spannung regulieren. Wenn Sie also die Spannung regulieren, steigt der Strom und könnte Ihre LED zerstören“, sagte Weigell. „Was Sie also im Wesentlichen brauchen, ist ein Netzteil, das den Strom im Stromprioritätsmodus regelt. Und das finden Sie auch in KMUs.“

In jüngster Zeit hat die steigende Nachfrage nach energieeffizienteren und umweltfreundlicheren Produkten dazu beigetragen, die Leistungshalbleiterindustrie wiederzubeleben. SMUs ermöglichen die Charakterisierung vieler Halbleiter und werden einen Platz in den Automobil- und Mobilmärkten für die Charakterisierung von Batterien finden, die immer wichtiger werden.