5 motivi per utilizzare una SMU

Cos'è un'unità di alimentazione e misura?

Un'unità di alimentazione e misura (SMU, Source Measure Unit) è uno strumento di test che combina un alimentatore, un carico elettronico e un multimetro digitale ad alta risoluzione in un'unica apparecchiatura. Le SMU possono essere utilizzate per caratterizzare i semiconduttori, monitorare il consumo energetico di un microcontrollore o simulare una batteria di un dispositivo IoT.

La differenza principale tra una SMU e un alimentatore da banco è la capacità della SMU sia di erogare che assorbire corrente e la sua elevata risoluzione di lettura/programmazione.

Esempio importante di misure con SMU

Le SMU possono tracciare le modifiche dinamiche. Ad esempio, un dispositivo Bluetooth® a bassa potenza può assorbire una corrente nell'ordine dei nanoampere a una cifra mentre è in modalità sleep, ma richiedere centinaia di milliampere durante la lettura di un sensore e la trasmissione dei risultati. Una SMU può misurare entrambi questi intervalli di corrente, il tutto alimentando il dispositivo in prova (DUT).

Un'altra misura tipica delle SMU è la caratterizzazione dei dispositivi a semiconduttore. I terminali di uscita di una SMU a quattro quadranti fungono da sorgente o carico, indipendentemente dalla polarità. In questo modo è possibile ricavare le caratteristiche dirette e inverse dei dispositivi a semiconduttore, come i diodi, con un unico strumento.

Continuate a leggere per conoscere cinque applicazioni delle SMU e come possono aiutarvi a caratterizzare un DUT.

1. SMU come alimentatore o carico elettronico

Poiché una SMU è essenzialmente l'integrazione di tre strumenti diversi, ha molte potenzialità di utilizzo. Per cominciare, una SMU può essere utilizzata come alimentatore da banco con funzioni di sicurezza quali la protezione da sovratensione e la limitazione della corrente. Inoltre, il multimetro integrato a 6,5 cifre può misurare la tensione, la corrente e il consumo di energia mentre alimenta il DUT.

A differenza di un alimentatore da banco indipendente, una SMU a due quadranti può erogare corrente (modalità 'source') o assorbire corrente (modalità 'sink'). La SMU si comporta in modo simile a un carico elettronico quando agisce come 'sink'. Un carico elettronico è come un resistore programmabile. È possibile mettere il carico in una modalità che introduce una caduta di tensione costante, assorbe una corrente costante o presenta una resistenza costante al dispositivo in prova.

Le unità di alimentazione e misura, come la serie R&S(R)NGU201, possono passare automaticamente dalla modalità alimentatore a carico e viceversa. Questa flessibilità consente di simulare i comportamenti di carica e scarica della batteria.

2. Registrazione dati: misurazioni accurate della tensione con una SMU

Il multimetro digitale integrato in una SMU è in grado di monitorare la tensione, la corrente e il consumo di energia, indipendentemente dal fatto che lo strumento funga da sorgente o da carico. È utile visualizzare i valori istantanei sul pannello frontale o tramite i comandi di programmazione remota. Tuttavia, vedere come questi valori cambiano nel tempo può essere importante per caratterizzare un dispositivo.

Una SMU può campionare queste misure fino a 500.000 volte al secondo (500k campioni/s). Ciò consente alla SMU di agire come uno strumento di registrazione dei dati. Ad esempio, è possibile salvare i dati campionati in un file CSV su un'unità USB per effettuare successivamente un'analisi dettagliata. In alternativa, è possibile visualizzare le tendenze direttamente sul display del pannello frontale.

Oltre all'acquisizione di queste informazioni registrate, è possibile migliorare l'accuratezza utilizzando gli "ingressi di rilevamento" (sense) di una SMU. Poiché ci sono sempre delle perdite nei cavi tra la SMU e il DUT, la tensione sui connettori del pannello frontale è superiore alla tensione presentata al DUT. Gli ingressi "di rilevamento" dedicati, con cavi separati, vengono collegati all'ingresso del DUT e consentono alla SMU di compensare tali perdite e di fornire misure più accurate.

Un altro miglioramento è specifico del sistema R&S®NGU201. Offre un voltmetro digitale (DVM) opzionale che può essere collocato in qualsiasi punto del circuito. Ad esempio, si può monitorare lo stato di una batteria o l'uscita di un convertitore nel punto di carico. Questo DVM funziona in parallelo alla misura di tensione che monitora il pannello frontale ed è isolato galvanicamente dal canale.

3. Misura della corrente e della variazione della risposta del carico

I dispositivi che prevedono stati di sospensione a basso consumo e che dispongono di trasmettitori wireless hanno richieste dinamiche di corrente che vanno dai nanoampere agli ampere. Una SMU può misurare con precisione questi ampi intervalli di corrente mentre alimenta il DUT.

Quando il DUT cambia stato operativo, si verifica una variazione improvvisa del consumo di corrente. Un alimentatore da banco impiega un certo tempo per rispondere a una variazione del carico. Gli alimentatori tradizionali indipendenti possono rispondere male a queste transizioni. Strumenti come la serie R&S®NGU, invece, possono reagire a una variazione della risposta del carico in meno di 30 microsecondi.

4. Caratterizzare i dispositivi a semiconduttore con SMU a quattro quadranti

Quando si caratterizza un dispositivo a semiconduttore, in genere è necessario dissipare e generare corrente con polarità inversa e diretta. Ad esempio, si consideri un diodo.

Per tracciare la curva corrente-tensione (IV) di un diodo, è necessario misurare la corrente assorbita da una tensione negativa fino a raggiungere una tensione di polarizzazione diretta positiva. Mentre un alimentatore tradizionale o una SMU a due quadranti possono fornire una tensione negativa, la commutazione tra negativo e positivo richiede un intervento manuale, ossia la sostituzione fisica delle sonde. Una SMU a quattro quadranti, invece, può passare senza problemi da un'uscita negativa a un'uscita positiva e viceversa mentre scansiona un intervallo di tensione.

5. Simulazione di dispositivi alimentati a batteria

La durata di funzionamento dei dispositivi a batteria presenta molteplici problemi. Una sfida è rappresentata dal fatto che le batterie immagazzinano energia chimicamente. Di conseguenza, la potenza erogata varia in base alla chimica, alla temperatura e al carico. Un'altra sfida è rappresentata dal fatto che l'efficienza di un convertitore DC-DC varia in base alla tensione di ingresso e al carico di uscita.

Verificare tutte le possibili varianti con batterie fisiche non è fattibile, soprattutto se si vogliono provare diverse sostanze chimiche come gli ioni di litio o i polimeri di litio. Fortunatamente, le SMU come la serie R&S®NGU possono simulare una batteria. Inoltre, è possibile programmarle con profili definiti dall'utente per adattarle meglio alle condizioni ambientali.

Una SMU può caratterizzare la durata di funzionamento del dispositivo in condizioni diverse, senza alcuno strumento aggiuntivo. Questo è il vantaggio più significativo dell'utilizzo di una SMU per simulare una batteria.

Un altro punto di valutazione è la capacità di un dispositivo di ricaricare una batteria. L'utilizzo di una SMU come carico elettrico consente di simulare situazioni quali assenza di celle, sovratensione, sottotensione o cortocircuito della batteria.