כבר חזו כי, בתוך עשור, האינטרנט של הדברים (IoT) יגדל להיקף של טריליונים של התקנים אלחוטיים וחיישנים. עם זאת, הצמיחה תהיה תלויה במידה מסוימת ביכולת של היצרנים להוזיל את העלות של מוצרים אלה. במקביל, עם זאת, התקנים אלה חייבים להיות מאופיינים היטב במהלך התכנון והפיתוח שלהם, ולאחר מכן להיבדק במהירות, בדיוק ובצורה חסכונית במהלך הייצור. כדי לפעול באופן אמין על קיבולת סופית של כוח הסוללה, מכשירים סלולריים זעירים אלה חייבים לצרוך הספק נמוך. זה דורש אפיון של צריכת החשמל של ההתקן בכל מצבי ההפעלה וכך לפתח יכולת להבין היכן למקד את מאמצי הפיתוח.
אפיון של צריכת החשמל של התקנים אלה דורש מכשור המסוגל לבצע הן מדידות ברגישות גבוהה והן מדידות במהירות גבוהה. לדוגמא, כאשר מאפיינים את זרמי העומס, מערכת הבדיקה צריכה להיות מסוגלת למדוד זרמים נמוכים, לפעמים עד עשרות מיקרו-אמפרים או פחות, כשההתקן במצבי המתנה. כדי ליישם מדידות יציבות ומדויקות של זרמים אלה ברמה הנמוכה, מערכות הבדיקה אמורות, בדרך כלל, לבצע מדידות רבות על פני מרווח מדידה ארוך, בכדי לבודד מתוך הרעש החשמלי שמייצר ההתקן את רעש הסביבה החיצונית. סינון יכול לשמש גם כדי להבטיח מדידות איכותיות. עם זאת, זמן המדידה המשתרעת על פני מספר מחזורי קו המתח AC, יחד עם סינון, יכולה לגרום לזמן מדידה של שניות ולעתים קרובות עשרות שניות. זה מרחיב את תקופת המדידה בניגוד לצורך במהירות גבוהה, כדי להגדיל את התפוקה ולצמצם את עלות הבדיקה עבור כל התקן.
איור 1. פרופיל עומס הזרם עבור התקן אלחוטי טיפוסי, כולל תקופות ארוכות של צריכת זרם נמוכה עם צרורות קצרים של צריכה גבוהה של זרם, כאשר ההתקן משדר נתונים
בנוסף לביצוע מדידות רגישות ואיטיות של זרמי ההמתנה והרוגע של התקני IoT, המכשור חייב לבצע מדידות זרם מהירות מאוד כאשר התקן IoT פעיל, כגון כאשר הוא משדר נתונים. האתגר הוא ללכוד ולמדוד דופק זרם העומס שעשוי להימשך רק כמה מאות מיקרו-שניות. המכשור חייב להגיב במהירות ולבצע מדידה במרווח זמן קצר מאוד. במצב זה, מתכנן מערכת הבדיקה חייב להתפשר לגבי דיוק ורזולוציית המדידה בכדי להשיג מהירות.
איור 1 מדגים פרופיל זרם עומס אופייני עבור התקן IoT אלחוטי. במצב רוגע, הזרם הוא נמוך מאוד, אבל כאשר המכשיר משדר, זרם העומס עולה באופן דרמטי לזמן קצר. כדי למדוד זרם זה, מכשור הבדיקה חייב להגיב לאותות הבקרה אשר מסמנים שההתקן עובר למצב הפעיל, כך שהמכשור יכול ליזום את המדידה במהירות גבוהה. המכשיר צריך גם לאפשר גמישות בבחירת זמן המדידה, כך שתתקבל המדידה הטובה ביותר שניתן לבצע.
בגלל שהצורך במדידות מדויקות מאוד של זרם נמוך בזמן רוגע ומצבי המתנה, והצורך בביצוע מדידות זרם גבוה מאוד ובמהירות, במהלך מצבי הפעלה שונים, הם כה שונים, ניתן להניח כי יידרשו מספר רב של מכשירים לביצוע מדידות אלה. לדוגמא, אפשר יהיה לחבר נגד בטור
איור 2. אפיון Benchtop של התקנים אלחוטיים בעלי צריכת חשמל נמוכה דורש מכשור המשלב את הרגישות הדרושה לצורך מדידת זרמי רוגע עם המהירות הדרושה ללכידת פולסי זרם צרים, כמו גם תחום רחב של מקור אספקת הזרם
לקו, אשר מחבר את אספקת החשמל. ע”י מדידת מפל המתח על פני הנגד עם מודד דיגיטלי (DMM) ניתן לחשב את הזרם. עם זאת, זה יהיה מאוד מאתגר לבחור את הערך המתאים עבור הנגד הטורי. ערך נגד קטן מוסיף שגיאה קטנה במדידת זרם העומס, אבל אם הערך הוא קטן מדי, DMM ללא רגישות למדידת הזרם הנמוך במצב רוגע, או אפילו זרם במצב המתנה, יראה מדידה לא מדויקת.
למרות שגם אוסצילוסקופ עשוי להיות מתאים למשימת לכידת עוצמת הפולסים עבור זמנים קצרים, ה-DMM מציע דיוק רב יותר בעת ביצוע מדידות מתח. ייתכן כי יהיה צורך ב: מקור מתח, DMM ואוסצילוסקופ לביצוע כל המדידות הדרושות.
יחידת מדידה/מקור (SMU) הינו מכשיר המציע אופציה אפשרית עבור יישום זה. המכשיר יכול למדוד זרמים מאוד נמוכים (עד פיקו-אמפרים או פחות) במדויק; למרבה הצער, ה-SMU אינו מיועד, בדרך כלל, ללכידת פולסים צרים. כמו כן, בדרך כלל, ה-SMU הינו מכשירי המיועד לאספקה וצריכת חשמל נמוכים. לכן, הוא עשוי שלא להיות בעל הספק כללי המתאים לספק את הזרם הדרוש בשעות של שיא הצריכה. בנוסף, בגלל הרגישות יוצאת הדופן שלהם, מכשירי ה-SMU יכולים להיות פתרונות יקרים יחסית לצורך בדיקת התקנים זולים.
מכשיר יחיד – פתרון עבור אתגרי מדידה מרובים
איור 3. סדרת 2280S ספקי הכח של חברת Keithley יכולים לספק זרמי עומס מזערים עם רזולוציה של 10nAולמדוד עד 6A בדיוק רב. ארבעת תחומי מדידת זרם עומס: 10mA, 100mA, 1A, 10A – מאפשרים הן מדידת זרמי עומס מלאים והן זרמי רוגע/המתנה עם רזולוציה של 6-1/2 ספרות. כמו כן, ניתן ללכוד זרמי עומס דינמיים של עד 140μs
כמובן, רוב מהנדסי התכנון והבדיקות מעדיפים פתרון פחות מסובך מאשר ליישם מערכת בדיקה עם ספק כוח DC, כדי לספק את מתח המקור, נגד טורי, DMM, אוסצילוסקופ, מכשיר SMU, ומערכת מיתוג לקשור את כולם יחד. אם הם יכולים לבצע את המדידות שהם צריכים עם מכשיר אחד בלבד, הבדיקות יכולות להתחיל מוקדם יותר – מכיוון שיש פחות ציוד להקים (איור 2). האוטומציה של המדידה היא פשוטה, כמו גם מכשיר אחד בלבד לתכנת. זה גם מבטל את הצורך לסנכרן מספר רב של מכשירים ומאפשר למהנדס להתמקד בביצוע המדידה. עם זאת, מתכנני המכשור מתחילים רק עתה לקחת על עצמם את האתגר של יצירת מכשירים המסוגלים לספק את רמת ההספק הדרושה, כדי לתפעל התקן אלחוטי – מבלי להקריב את היכולת למדוד הן זרמי עומס נמוכים מאוד והן זרמי עומס פעיל גבוהים במדויק ועם רזולוציה גבוהה. מכשירים אלה נכנסים רק כעת לשוק, בתצורה של ספקי כוח עם יכולות משולבת של מדידות מאוד מדויקות (איור 3).
על מנת למדוד במדויק זרמי המתנה או רוגע, מכשיר אספקה/מדידה חייב להיות בעל איכות של DMM בעל רזולוציה של ½6 ספרות. בעת ביצוע מדידות זרם גבוה, חייב המכשיר ללכוד פולסי זרם קצרים של עד כמה מאות מיקרו-שניות. כמו כן, כיוון שמכשירים מסוימים, כגון חיישנים רפואיים מושתלים או מכשירים ניידים, המופעלים מסוללות, הם בעלי רצף עומסי זרם בהפעלה, בדומה לזה שמוצג באיור 4,
איור 4. כאשר מכשיר מופעל בזמן אפיון או בדיקות ייצור, זרם העומס עולה, במעבר בין מצבי רוגע, המתנה ופעולה רציפה. בכדי לאפיין רצף הפעלה זה, ציוד הבדיקה חייב להיות מסוגל לבצע מדידות מהירות המסונכרנות לשינויי המצב של המכשיר
המכשיר הנבחר חייב להיות בעל יכולות הדרושות כדי לבצע מדידות מרובות ומסונכרן בכל המצבים של הפעלה או כיבוי.
מכשירים המיועדים לשימוש במערכת בדיקה אוטומטית, בנוסף לעבודת התכנון, חיוני כי יהיו בעלי ממשקים LAN, USB, או ממשקי GPIB וכניסות/יציאות דיגיטליות הנחוצות לצורך שילוב עם ציוד בדיקה אחר במערך. כדי לפשט אפיון על ה-benchtop , יש לשקול שימוש בספק כוח עם יכולות תצוגה מתקדמות, הכוללים תצוגה גרפית מובנית, המפשטים ניטור היציבות של זרם העומס, לכידה והצגה של זרם עומס דינמי, או תצוגה נוחה של הפעלה או כיבוי של זרם עומס.
רוברט גרין הוא מנהל פיתוח שוק בכיר ב-Instruments Keithley, Cleveland, OHIO המהווה חלק מחטיבת ציוד המדידה ובדיקה של חברת Tektronix. במהלך הקריירה שלו ב-Keithley, גרין היה מעורב בהגדרה והשיווק של מגוון רחב של מכשור. הוא בעל תואר ראשון בהנדסת חשמל מאוניברסיטת קורנל ותואר MS בהנדסת חשמל מאוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס, מיזורי.
הכתבה נמסרה באדיבות חברת דנ-אל
