IoT機器開発の必需品“uAレベルの電流変動計測器“
キーサイト・テクノロジーマーケティング部門
2016/11/16-18
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本日の内容
1. 市場トレンド、測定上の課題
2. 評価ツールのご紹介
3. 測定事例のご紹介
4. まとめ
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What is the Internet of Things (IoT)?
Connecting billions of devices to the internet
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What is the Internet of Things (IoT)?
– Consumer IoT – Industrial & business/ enterprise IoT
Low cost, low energy are major factors
Security, reliability and higher functionality are major factors
ConsumerWearables
Connected homes
Industrial
Healthcare
Agriculture
Transportation
Energy
Connected cities
Manufacturing
Connected cars
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IoT Radios
<10cm <5km
Proximity
WPAN
WLAN
WNAN WWANWHAN
NFC
EMV
Bluetooth/LE
ANT+
MiWi
ZigBee
Z-Wave
Thread (6LoWPAN)
EnOcean
Many others
802.11a/b/g/n/ac (WiFi)
802.11ah (WiFi HaLow 1km)
802.11p (V2X)
802.11af (white space)
Wi-SUN (6LoWPAN)
ZigBee NAN (6LoWPAN)
Wireless M-bus
Many others
SIGFOX
LoRa
Telensa
OnRamp/INGENU
Weightless
Many others
Cellular (licensed)
LPWAN (un-licensed)
<100km
WFAN
Terms not precise
ISA100.11a (6LoWPAN)
WirelessHART
Many others
Blue: > billion units/year now
Red: emerging
WPAN: Wireless Personal Area Network
WHAN: Wireless Home Area
WFAN: Wireless Field (or Factory) Area
WLAN: Wireless Local Area
WNAN: Wireless Neighbourhood Area
WWAN: Wireless Wide Area
LPWAN: Low Power Wide Area Network
LPWAN (licensed)
3GPP NB-IoT3GPP LTE-MTC, eMTC/Cat M, LTE-V
3GPP GSM, WCDMA, EC-GPRS
3GPP2 Cdma2000, WiMAX
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Wireless Test Cases
Power consumption
Radio frequency design
Acceptance/production
UXM message editor
Source Measurement Unit
GP RF test tools
UXM RF Meas’
Antenna test systems
UXM built-in app server
EXM high volume mfg
T4000S RCT/RRM operator RF
Anite protocol and operator test
UXM
Stability/longevityTest Automation Platform (TAP)
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IoT Design ChallengePower Consumption & Efficiency
Example of current levels during three main states of a wireless sensor
IoT TechnologySleep
Current
Peak
Current
NFC 5 uA 100 mA
Bluetooth LE 100 nA 26 mA
ANT 500 nA 34 mA
MiWi 100 nA 30 mA
ZigBee 700 nA 14.4 mA
6LoWPAN 400 nA 40 mA
WirelessHart 426 uA 19 mA
802.11n 30 mA 636 mA
LoRa 100 nA 10.5 mA
Cellular 100 uA 2.5 A
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IoT機器設計で求められる測定
消費電力の詳細データを要求Typicalでは不充分!
チップベンダー モジュールメーカー 機器メーカー
低消費電力実現に向けた対応が重要に
・長時間、保守なしで動作しつづけることが必須→何年もボタン電池などで駆動可能なデバイスが必要→機器メーカーは、より低消費電力の部品を採用
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IoT機器設計で求められる測定
Actuator/
Display
Sensor
Actuator/
Display
Power
Mgmt
AFE
I/F
Internal
V source
RF
Digital
Battery
OSC
MCU
Sleep -> Active 時の詳細な消費電力変化の観察
基板上の複数ポイントでの詳細な電流変化の観察
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一般的な測定環境
Actuator/
Display
Sensor
Actuator/
Display
Power
Mgmt
AFE
I/F
Internal V
source
RF
Digital
Battery
OSC
MCU
電源:電池の代わり
マルチメータ:消費電流測定
オシロスコープ + 電流プローブまたはシャント抵抗:消費電流測定
動作時:電流プローブ+オシロスコープ停止時:マルチメータで平均値をモニタ
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一般的な測定環境
Actuator/
Display
Sensor
Actuator/
Display
Power
Mgmt
AFE
I/F
Internal V
source
RF
Digital
Battery
OSC
MCU
電源:電池の代わり
マルチメータ:消費電流測定
オシロスコープ + 電流プローブまたはシャント抵抗:消費電流測定
帯域不足
測定系のノイズダイナミックレンジ不足 11
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Battery
DC電源アナライザの活用
Actuator/
Display
Sensor
Actuator/
Display
Power
Mgmt
AFE
I/F
Internal V
source
RF
Digital
OSC
MCU
・シャント抵抗、電流プローブ不要・1台で4チャネルの供給、測定が可能・スコープやデータロガーで短・長期の波形表示
DC電源アナライザ
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バッテリー駆動デバイス評価ツールN6705B DC電源アナライザ
• DC電源供給:最大4出力(バッテリーや電池の代わり)
• 電圧・電流測定用デジタイザ内蔵(別途接続不要)
• 波形解析機能(オシロスコープ・ビュー)
• データロガー:長時間経緯モニタ
• 任意波形発生(電源変動の模擬)
DC電源/アナライザ
DC電源
オシロスコープ
データロガー
任意波形発生機能
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シームレス・レンジ電流測定
3つの測定レンジ間を測定に影響を与えることなく切り替わり、微小電流からピーク電流までを連続的に測定できる。
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シームレス・レンジ電流測定Fixed Range vs. Seamless Ranging Measurement
Standby: Sleep current base, 200 µA/div Standby: Sleep current base, 200 µA/div
最大電流に合わせた固定レンジを使用
シームレス・レンジ電流測定
→微小電流が分解能不足で安定しない→微小電流からピーク電流まで安定して測定できている。
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バッテリー駆動デバイス評価ツール残る課題
帯域不足
測定系のノイズ 基板上の複数ポイントでの詳細な電流変化の観察
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バッテリー駆動デバイス評価ツール残る課題
サンプリング・レートの限界(200ks/s)周波数帯域の限界(数10kHz)各チップセット毎の電流波形観測実際のバッテリ動作との差違
更に高速・広帯域で任意のポイントの評価に対応したソリューションが必要
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デバイス電流波形アナライザの活用
Actuator/
Display
Sensor
Actuator/
Display
Power
Mgmt
AFE
I/F
Internal V
source
RF
Digital
OSC
MCU
DC電源アナライザ デバイス電流波形アナライザ
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デバイス電流波形アナライザCX3300シリーズ
CX3322A (2 チャンネルモデル)
CX3324A(4 チャンネルモデル)
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デバイス電流波形アナライザ今まで困難だった低消費電流解析を可能に
広いダイナミックレンジ
低ノイズ電流センサ
広い周波数帯域高速サンプリング
様々な解析機能を搭載
14-bit / 16-bit
150 pA ~ 10 A
Max. 200 MHz1 GSa/s
プロファイル解析,FFT ,CCDF , etc.
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デバイス電流波形アナライザオシロスコープ+電流プローブとの測定比較例
1 mV = 1 mA/div
100 us/div
12 bitオシロスコープ+電流プローブ
1 mA/div
100 us/div
デバイス電流波形アナライザ
CX1101A 20 mA range
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オシロスコープ+電流プローブとの比較Positioning Precision Accuracy Bandwidth Product
Standard > 1 mA 2% Widest
In-depth > 50 μA 2%Wide
(3 MHz)
Deep-dive
> 150 pA < 1%Wider
(200 MHz)
電流プローブ+オシロスコープ
シャント抵抗+オシロスコープ
N2820A 高感度AC/DC電流プローブ
CX3300 デバイス電流波形アナライザ
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DC電源アナライザとの比較
Positioning Precision BandwidthSourcing function
Product
Source+ Measurement
> 20 nA < 30 kHz Yes
Measurement Only
> 150 pA < 200 MHz No
DC電源アナライザ
CX3300 デバイス電流波形アナライザ
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デバイス電流波形アナライザ 測定事例
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測定事例1どこでもズーム機能
BLE の模擬信号
どこでもズーム
細い電流スパイクを確実に観測
1.1 mA/div
2 mA/div
500 us/div
~ 20 us/div
ノイズの波形の観測を実現
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測定事例2デュアル・チャンネル電流センサによる解析
100 uA/div
5 mA/div
1 ms/div
1 ms/div
200 mA レンジ
2 mAレンジ
200 uA pp
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測定事例3ロングメモリを活用した長時間測定
256 Mpts/ch memory by 10 MSa/s = 25.6 sec
高速サンプリングにより、波形の一部を拡大しても忠実に表示
5 mA/div
10 mA/div
2 s/div
1 ms/div
BLE の模擬信号
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測定事例4Idd & Vdd 測定波形の比較
Vdd
Idd
5.74mA
1mA/div.4mA
0.7mA/div.
50mV/div.
意図しない動作が一目瞭然
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測定事例5プロファイル解析機能
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ソリューションのサマリーN6705B DC電源アナライザ
• DC電源供給:最大4出力(バッテリーや電池の代わり)
• 電圧・電流測定用デジタイザ内蔵(別途接続不要)
• 波形解析機能(オシロスコープ・ビュー)
• データロガー:長時間経緯モニタ
• 任意波形発生(電源変動の模擬)
DC電源/アナライザ
DC電源
オシロスコープ
データロガー
任意波形発生機能
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ソリューションのサマリーCX3300シリーズ デバイス電流波形アナライザ
• 1mA以下の電流変動を確実・簡単に解析、設計・検証・デバッグを大幅に効率化
• 急峻な電流変化や電流スパイク捕獲による障害原因の追究
• 長時間測定により、間欠障害をクリアに検出
• プロファイル解析、FFT、CCDFなどの解析機能
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まとめ
• 駆動時、待機時の消費電力を定量的に把握することが重要
Typical値ベースでの設計では限界
• DC電源アナライザによる駆動時、待機時の一連の電流変動解析
• 消費電力低減を極める:デバイス電流波形アナライザのご紹介
解析事例のご紹介
スリープ時の変動、電流スパイク、プロファイル解析機能等
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Appendix
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デバイス電流波形アナライザCX3300シリーズ
CX3322A (2 チャンネルモデル)
CX3324A(4 チャンネルモデル)
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デバイス電流波形アナライザ製品ラインナップ
+ + +
メインフレーム 電流センサ センサヘッド その他アクセサリ
CX3322A (2 Ch)
CX3324A (4 Ch)
CX1101A
CX1102A
CX1103A
Digital Channel
(CX3324A only)
Passive Probe
Interface Adapter
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デバイス電流波形アナライザ3種類の電流センサをラインナップ
40 nA - 10 ASingle CH100 MHz±40 V
40 nA - 1 ADual CH100 MHz±12 V
150 pA - 20 mASingle CH200 MHz±0.5 V
CX1101A CX1102A CX1103A
汎用電流センサ 広いダイナミックレンジ 広帯域&低ノイズフロア
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デバイス電流波形アナライザ様々な接続をサポートするセンサヘッドをご用意
CX1201A(同軸)
CX1202A(同軸)
CX1203A(同軸)
CX1204A(ツイストペア)
CX1205A(テストリード)
対応電流センサ: CX1101A, CX1102A
センサ・ヘッド
コネクションタイプ
センサと組み合わせた場合の最大周波数帯域[MHz]
CX1201A同軸
(SMA)≤ 100CX1202A
CX1203A
CX1204Aツイストペア
<< 10
CX1205A テストリード << 10
CX1206A* バナナプラグ
≤ 3
CX1206A大電流用
※CX1206Aは、CX1101Aのみ対応
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デバイス電流波形アナライザDUTとの接続方法:同軸
A
終端スイッチ( 0 ohm , 50 ohm)
0 ohm : 最大 1 A50 ohm: 最大 70 mA
1
2Coaxial
CX1203A 終端スイッチ付きセンサヘッド
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デバイス電流波形アナライザDUTとの接続方法:ツイストペア
CX1204A ツイストペア付きセンサヘッド
A
シールドされたツイストペアAWG22 100mm(300 mm ケーブルも同梱)
先端をパッドに半田付
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デバイス電流波形アナライザDUTとの接続方法:テストリード
CX1205A テストリード用センサヘッド
A
先端をピンヘッダに差し込んで接続
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デバイス電流波形アナライザDUTとの接続方法:バナナプラグ
CX1206A 大電流タイプセンサヘッド(CX1101Aのみ対応)
拡張ボックス10A
大電流アダプタ
バナナプラグ接続
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デバイス電流波形アナライザその他アクセサリ
CX1151A1 MΩ 電圧プローブアダプタ
CX1152A10 MΩ ディジタル・チャンネル
1 MΩ / 13 pF 入力インピーダンス100 Vpk 入力レンジ最大300 MHz 周波数帯域推奨プローブ: N2843A ( 10:1 ,
500MHz )
10 MΩ高入力インピーダンス+/- 25 V 入力レンジ最大 8-channel
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