パワーマネージメントICの特性評価
宮本 純一
B-3
テクトロニクス/ケースレー イノベーション・フォーラム2013
Agenda
2
�パワーマネージメントパワーマネージメントパワーマネージメントパワーマネージメントIC
�電源部評価電源部評価電源部評価電源部評価
�充電部評価充電部評価充電部評価充電部評価
�まとめまとめまとめまとめ
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1-1. システムの中のパワーマネージメントシステムの中のパワーマネージメントシステムの中のパワーマネージメントシステムの中のパワーマネージメントIC
Memory
LED/Light
Video
Sensor
USB
Mic/Speaker
3
SD Card
WLAN
Bluetooth
RF I/F
(PA, LNA)
Application
Processor
Application
Processor
Camera
Display
Touch panel
Audio
MEM
BATTERYBATTERY
Power
Management
Power
Management
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1-2. パワーマネージメントパワーマネージメントパワーマネージメントパワーマネージメントICの役割の役割の役割の役割
4
1. 電源電源電源電源 :バッテリーからの電源変換:バッテリーからの電源変換:バッテリーからの電源変換:バッテリーからの電源変換
2. 電源管理電源管理電源管理電源管理 :::: 起動、終了、省電力起動、終了、省電力起動、終了、省電力起動、終了、省電力
3. 低周波低周波低周波低周波, アナログアナログアナログアナログ ::::32k、、、、RTC、、、、USB、、、、低周波アンプ低周波アンプ低周波アンプ低周波アンプ
4. 充電充電充電充電 :充電の自律制御:充電の自律制御:充電の自律制御:充電の自律制御
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2. 電源部電源部電源部電源部
5
VBAT
PGND
Switching
DC/DC
Switching
DC/DC
LD
O
LD
O
LD
O
GND1
EN1
EN2
SCL
SDA
GN
D2
Host
VDD1
VDD2
VA
1
VA
2
VA
3
I2C Interface
VDD1
• 10~20個程度の電源が含まれる。個程度の電源が含まれる。個程度の電源が含まれる。個程度の電源が含まれる。
• 電池電圧より各ブロックが必要とする電圧を生成し、パワー供給する。電池電圧より各ブロックが必要とする電圧を生成し、パワー供給する。電池電圧より各ブロックが必要とする電圧を生成し、パワー供給する。電池電圧より各ブロックが必要とする電圧を生成し、パワー供給する。
BATTERY
電源部イメージ
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2-1. 電源の種類電源の種類電源の種類電源の種類
6
種類種類種類種類 利点利点利点利点 欠点欠点欠点欠点
リニアレギュレータ LDO(*) • 扱い容易
• 小実装面積
• 低ノイズ
• 損失大
• 降圧のみ
スイッチング
レギュレータ
昇圧 • 損失小
• 昇圧可能
• インダクタが必要
• 大実装面積
• スイッチングノイズの発生
降圧
チャージポンプ • 扱い容易 • 低ドライブ能力
(*) LDO : Low Drop Out
VrefR1
R2
Vout
LDO
Vin
COM
Control
Vout
PGND
FB
LXVin
COM
L1
C1
スイッチングレギュレータ (降圧型)
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2-2. 電源の評価指標電源の評価指標電源の評価指標電源の評価指標
7
評価指標評価指標評価指標評価指標 記号例記号例記号例記号例 典型例典型例典型例典型例 リニアリニアリニアリニア スイッチングスイッチングスイッチングスイッチング入力電圧 Vin 3.0~4.2V -- --出力電圧 Vout 最少1.0V ✓ ✓最大出力電流 Imax 10mA~1A ✓ ✓入力変動 ∆Vline 1mVの変動 ✓ ✓負荷変動 ∆Vload 10mVの変動 ✓ ✓短絡電流 Ishort Imaxの50% ✓待機電流 Iq 0.1~0.01 uA ✓ ✓効率 η 95% ✓出力ノイズ Vnoise 10mVpp ✓ドロップアウト電圧 Vdo 200mV ✓ノイズ除去率 PSRR 40~60dB以上 ✓
負荷電流負荷電流負荷電流負荷電流
出力電圧出力電圧出力電圧出力電圧
Imax
Ishort
Vout∆Vload(変動分)
Limit
Current
入力電圧入力電圧入力電圧入力電圧
出力電圧出力電圧出力電圧出力電圧
∆Vlline(変動分)Vout
Vdo
=Vin-Vmeas
負荷曲線例
入力変動曲線例
評価機器の接続(静特性)
代表的評価指標
DC/DC
COM
VIN VOUTA
V
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2-3-1. 電源の評価機器の選択電源の評価機器の選択電源の評価機器の選択電源の評価機器の選択 –印加・負荷・静特性評価印加・負荷・静特性評価印加・負荷・静特性評価印加・負荷・静特性評価
8
電子負荷電子負荷電子負荷電子負荷
0.01x uA
Keithley 2001
Keithley 2220
Keithley 2602B
装置電源
DMM(Digital Multi Meter)
DC/DC
COM
VIN VOUT
A
V
DC/DC
COM
VIN VOUT
A
V
SMU Ach SMU Bch
この桁が確実に読めるように選択する。待機電流測定のため。 SMU(Source Meter™ Unit)
• SMUで簡易な環境で簡易な環境で簡易な環境で簡易な環境
• SMUで高精度測定で高精度測定で高精度測定で高精度測定
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2-3-2. 電源の評価機器の選択電源の評価機器の選択電源の評価機器の選択電源の評価機器の選択 –装置電源と装置電源と装置電源と装置電源とSMUの違いの違いの違いの違い
9
装置電源装置電源装置電源装置電源
SMU(Source Meter™ Unit)
シンク動作シンク動作シンク動作シンク動作 (電流負荷動作)は(電流負荷動作)は(電流負荷動作)は(電流負荷動作)はSMUにしかできない。にしかできない。にしかできない。にしかできない。
シンク動作可能シンク動作可能シンク動作可能シンク動作可能
シンク動作不可シンク動作不可シンク動作不可シンク動作不可
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2-3-3. 電源の評価機器の選択電源の評価機器の選択電源の評価機器の選択電源の評価機器の選択 –動特性評価との組み合わせ動特性評価との組み合わせ動特性評価との組み合わせ動特性評価との組み合わせ
10
• パルス、パルス、パルス、パルス、AC測定測定測定測定
• ノイズ測定ノイズ測定ノイズ測定ノイズ測定
• パルス、パルス、パルス、パルス、AC測定測定測定測定
• ノイズ測定ノイズ測定ノイズ測定ノイズ測定
MSO4014B
DPO4014B
Keithley 2602B
• パワー入力パワー入力パワー入力パワー入力
• DC負荷・パルス負荷負荷・パルス負荷負荷・パルス負荷負荷・パルス負荷
• 静特性取得静特性取得静特性取得静特性取得
• パワー入力パワー入力パワー入力パワー入力
• DC負荷・パルス負荷負荷・パルス負荷負荷・パルス負荷負荷・パルス負荷
• 静特性取得静特性取得静特性取得静特性取得
Tektronix
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2-3-4. 電源の評価機器の選択電源の評価機器の選択電源の評価機器の選択電源の評価機器の選択 – デジタルコントロールデジタルコントロールデジタルコントロールデジタルコントロール
11
Power Management
IC
micro processor(Host) I2C
I2C Interface
SCL
SDA
Power Management
IC
SCL
SDA
Digital IO
SMU(2602B) で I2C の通信をする
2602B背面
(例)SMUのDigital IOでLDOの出力電圧を変更する
1.2V 1.5V
3.2V
5.0V
SMUののののDigital IOででででI2C信号を作る信号を作る信号を作る信号を作る
オシロスコープ (DPO/MSO) での I2Cモニタ
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2-4-1. 評価例評価例評価例評価例 : 負荷特性負荷特性負荷特性負荷特性 – Load Regulation
12
Imax
Imax 43.7mV
0.44ohm
拡大図拡大図拡大図拡大図
0.44ohm
2線式測定線式測定線式測定線式測定
配線抵抗が見える
4線式測定線式測定線式測定線式測定
配線抵抗を排除
4線式測定の接続
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2-4-2. 評価例評価例評価例評価例 : 変換効率変換効率変換効率変換効率
13
IinVin
IoutVoutη
×
×=
Imax=1.2A
Vin=9.0V
Vin=12.0V
Vin=18.0V
スイッチングレギュレータ 効率評価例
• 取得した負荷曲線の演算で効率は求められる。取得した負荷曲線の演算で効率は求められる。取得した負荷曲線の演算で効率は求められる。取得した負荷曲線の演算で効率は求められる。
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2-4-3. 評価例評価例評価例評価例 : パルス負荷パルス負荷パルス負荷パルス負荷
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1.0A
1mA
100mV
1.0ms
出力電圧
負荷電流
パルス負荷変動評価例
最大パルス振幅 : 10A最少パルス幅 : 100usec
Keithley 2602Bの場合
• 電流プローブを用いて評価する電流プローブを用いて評価する電流プローブを用いて評価する電流プローブを用いて評価する
• SMUでパルス負荷を印加できる。動的な評価に利用できる。でパルス負荷を印加できる。動的な評価に利用できる。でパルス負荷を印加できる。動的な評価に利用できる。でパルス負荷を印加できる。動的な評価に利用できる。
使用電流プローブ : TCP0030
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2-4-4. 評価例評価例評価例評価例 : スイッチングノイズスイッチングノイズスイッチングノイズスイッチングノイズ
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スイッチングレギュレータ ノイズ評価例
• ノイズ振幅(ノイズ振幅(ノイズ振幅(ノイズ振幅(peak to peak値)は取り込み波形から値)は取り込み波形から値)は取り込み波形から値)は取り込み波形から見出せる見出せる見出せる見出せる
• スイッチング周波数、およびノイズの帯域は、スイッチング周波数、およびノイズの帯域は、スイッチング周波数、およびノイズの帯域は、スイッチング周波数、およびノイズの帯域は、FFTにより簡易ににより簡易ににより簡易ににより簡易に見出せる見出せる見出せる見出せる
この場合、ノイズパワーは
約15MHz まで分布する。
スイッチング周波数
565kHz
ノイズの電圧波形ノイズの電圧波形ノイズの電圧波形ノイズの電圧波形
ノイズのノイズのノイズのノイズの
パワースペクトラムパワースペクトラムパワースペクトラムパワースペクトラム
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2-4-5. スイッチングノイズモニタ時のプローブの選択スイッチングノイズモニタ時のプローブの選択スイッチングノイズモニタ時のプローブの選択スイッチングノイズモニタ時のプローブの選択
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• ノイズやリップルをモニタするには減衰比の小さいプローブを選ぶと分解能は高くなるノイズやリップルをモニタするには減衰比の小さいプローブを選ぶと分解能は高くなるノイズやリップルをモニタするには減衰比の小さいプローブを選ぶと分解能は高くなるノイズやリップルをモニタするには減衰比の小さいプローブを選ぶと分解能は高くなる
• Tektronix TPP0502 (減衰比減衰比減衰比減衰比2:1), P2220/2221(減衰比減衰比減衰比減衰比1:1) 等等等等
使用プローブ: P6101B
減衰比減衰比減衰比減衰比1:1
使用プローブ: TPP1000
減衰比減衰比減衰比減衰比10:150mV
50mV
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2-4-6. 評価例評価例評価例評価例 : 入力変動入力変動入力変動入力変動 – Line Regulation, Drop Out Voltage
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拡大図拡大図拡大図拡大図
5.0mV
300mV
Drop Out Voltage
Line Regulation
• 入力変動入力変動入力変動入力変動 (Line Regulation)は負荷変動よりも変動が小さい。は負荷変動よりも変動が小さい。は負荷変動よりも変動が小さい。は負荷変動よりも変動が小さい。
���� 1mVの変動が確実に捉えられる測定器が必要の変動が確実に捉えられる測定器が必要の変動が確実に捉えられる測定器が必要の変動が確実に捉えられる測定器が必要
• ドロップアウト電圧は負荷依存性が大きい。ドロップアウト電圧は負荷依存性が大きい。ドロップアウト電圧は負荷依存性が大きい。ドロップアウト電圧は負荷依存性が大きい。
• 実装時に想定される負荷で評価する。実装時に想定される負荷で評価する。実装時に想定される負荷で評価する。実装時に想定される負荷で評価する。
入力変動 (Line Regulation) 評価例
ドロップアウト電圧評価例
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2-4-7. 評価例評価例評価例評価例 : リップル除去率リップル除去率リップル除去率リップル除去率 (PSRR)
18
入力入力入力入力
出力出力出力出力
PSRR = 43.3dB
LDOの PSRR 評価例 PSRRの周波数依存性評価例
• 出力振幅はノイズにうもれ判定しにくい。出力振幅はノイズにうもれ判定しにくい。出力振幅はノイズにうもれ判定しにくい。出力振幅はノイズにうもれ判定しにくい。
• スペクトラムにすればスペクトラムにすればスペクトラムにすればスペクトラムにすれば1mV以下の振幅も定量化可能。以下の振幅も定量化可能。以下の振幅も定量化可能。以下の振幅も定量化可能。
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2-4-8. リップル印加の工夫リップル印加の工夫リップル印加の工夫リップル印加の工夫
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手法手法手法手法1
手法手法手法手法2
SMUのプログラムで任意波形生成のプログラムで任意波形生成のプログラムで任意波形生成のプログラムで任意波形生成
メリットメリットメリットメリット デメリットデメリットデメリットデメリット
SMUひとつでできる プログラム必要
有限時間だけ波形出力
手法手法手法手法3 Bias Teeを使用を使用を使用を使用
メリットメリットメリットメリット デメリットデメリットデメリットデメリット
100kHz以上でも対応でき
る場合がある
低周波が遮断される
振幅が容量や電流負荷に大きく
影響され、使用できる状況は限
られる。
SMU出力を信号発生器で変調出力を信号発生器で変調出力を信号発生器で変調出力を信号発生器で変調メリットメリットメリットメリット デメリットデメリットデメリットデメリット
プログラム不要
出力時間制限なし
波形発生器の用意が必要
周波数帯域(参考値) : DC~10kHz
周波数帯域(参考値) : DC~10kHz
周波数帯域(参考値) : 10kHz~10MHz
信号発生器Force HI
Sense HI
Force LO
Sense LO
DUTSMU
Keithley 3390
Keithley 2602B
数Wのドライブも可能
Vac=3Vpp, Vdc=2V, f=100Hz
SMUから任意の波形を出す例
DC bias
AC DC+AC
SMUから三角波出力 SMUからexp波形出力
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3. 充電部充電部充電部充電部
20
control
V sense
protect
AC/DCコンバータ
USB電源、など
モバイル機器 バッテリーパック
サーミスタ等CHGGND
TBAT
VBATISENSECTRLVCHG
温度温度温度温度
電圧電圧電圧電圧
電流電流電流電流
Power Management IC
充電機能イメージ
SW
DC/DC
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3-1. 充放電とパワーマネージメントの役割充放電とパワーマネージメントの役割充放電とパワーマネージメントの役割充放電とパワーマネージメントの役割
21
公称電圧公称電圧公称電圧公称電圧3.6~3.7V
4.2V
2.7~3.0V
満充電満充電満充電満充電
過充電禁止過充電禁止過充電禁止過充電禁止
過放電禁止過放電禁止過放電禁止過放電禁止
(空充電)(空充電)(空充電)(空充電)
充電を停止する充電を停止する充電を停止する充電を停止する
モバイル機器の電源をモバイル機器の電源をモバイル機器の電源をモバイル機器の電源をOFF
1セル リチウム電池とパワーマネージメントICの動作
• 過充電と共に過放電も禁止される。過充電と共に過放電も禁止される。過充電と共に過放電も禁止される。過充電と共に過放電も禁止される。
• 安全のため、安全のため、安全のため、安全のため、精度の高い電圧検知機能精度の高い電圧検知機能精度の高い電圧検知機能精度の高い電圧検知機能を備える。を備える。を備える。を備える。
• 評価では評価では評価では評価では±±±±1mVの精度の精度の精度の精度を十分に測定できる必要がある。を十分に測定できる必要がある。を十分に測定できる必要がある。を十分に測定できる必要がある。
� 安全の確保安全の確保安全の確保安全の確保
� 電圧、電流、温度の検知電圧、電流、温度の検知電圧、電流、温度の検知電圧、電流、温度の検知
� 安全の確保安全の確保安全の確保安全の確保
� 電圧、電流、温度の検知電圧、電流、温度の検知電圧、電流、温度の検知電圧、電流、温度の検知
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3-2. CCCVと状態遷移と状態遷移と状態遷移と状態遷移
22
引用元 : マキシム MAX1879データシート
ステートマシーンとしての充電
(状態遷移の例)
時間
0.05C
0.5~1.0C
4.2V
CC mode CV modePre
charge
時間で停止時間で停止時間で停止時間で停止
電流で停止電流で停止電流で停止電流で停止
電圧で停止電圧で停止電圧で停止電圧で停止
※ 1C充電充電充電充電 : 1000mAhの容量の電池の場合、1000mAで充電
• 充電システムはホストプロセッサを必要としない自律システム。ステートマシン。充電システムはホストプロセッサを必要としない自律システム。ステートマシン。充電システムはホストプロセッサを必要としない自律システム。ステートマシン。充電システムはホストプロセッサを必要としない自律システム。ステートマシン。
• 状態遷移は電圧検知で行う。バッテリー電圧、電流、温度の電圧検知。状態遷移は電圧検知で行う。バッテリー電圧、電流、温度の電圧検知。状態遷移は電圧検知で行う。バッテリー電圧、電流、温度の電圧検知。状態遷移は電圧検知で行う。バッテリー電圧、電流、温度の電圧検知。
• 評価では電圧評価では電圧評価では電圧評価では電圧検知検知検知検知のののの閾値、ヒステリシスを評価閾値、ヒステリシスを評価閾値、ヒステリシスを評価閾値、ヒステリシスを評価する。する。する。する。
CCCV(CVCC)モードの動作例
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3-3. 充電制御テスト回路例充電制御テスト回路例充電制御テスト回路例充電制御テスト回路例
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SMU SMUTBAT
CHGGND
VBATISENSECTRLVCHG5.0~20V 3.0~4.2V
数数数数10mA~2A
0.1~0.5ohm
バッテリ動作バッテリ動作バッテリ動作バッテリ動作外部電源動作外部電源動作外部電源動作外部電源動作
外部電圧検知 バッテリ電圧検知電流検知 温度検知
SMU
TEST1テスト端子
• 温度、電圧、電流など複数の条件が状態遷移に関係するため、実使用に近い外付け回路を温度、電圧、電流など複数の条件が状態遷移に関係するため、実使用に近い外付け回路を温度、電圧、電流など複数の条件が状態遷移に関係するため、実使用に近い外付け回路を温度、電圧、電流など複数の条件が状態遷移に関係するため、実使用に近い外付け回路を
組む場合が多い。組む場合が多い。組む場合が多い。組む場合が多い。
• テスト端子テスト端子テスト端子テスト端子(上図TEST1) から内部信号を出力して判定する。詳細はから内部信号を出力して判定する。詳細はから内部信号を出力して判定する。詳細はから内部信号を出力して判定する。詳細はテストデザインによる。テストデザインによる。テストデザインによる。テストデザインによる。
• 状態遷移する電圧を状態遷移する電圧を状態遷移する電圧を状態遷移する電圧をSMUで確認する。で確認する。で確認する。で確認する。
SMUSCL
SDADIO
I2C control
充電制御テスト回路例
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3-4. Floating測定測定測定測定, 差動測定差動測定差動測定差動測定
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SMU SMUTBAT
CHGGND
VBATISENSECTRLVCHG
3.0~4.2V
数数数数10mA~2A0.1~0.5ohm
バッテリ動作バッテリ動作バッテリ動作バッテリ動作外部電源動作外部電源動作外部電源動作外部電源動作
電流検知SMU
TEST1
SCL
SDA
LO (Floating)
HI
0.0V
• 上図の例では、上図の例では、上図の例では、上図の例では、ISENSEの場合検知電圧は、数の場合検知電圧は、数の場合検知電圧は、数の場合検知電圧は、数mV~数数数数100mV。。。。
• 差動測定差動測定差動測定差動測定で同相ノイズやバッテリ電圧変動を除去し、測定精度を上げる。で同相ノイズやバッテリ電圧変動を除去し、測定精度を上げる。で同相ノイズやバッテリ電圧変動を除去し、測定精度を上げる。で同相ノイズやバッテリ電圧変動を除去し、測定精度を上げる。
• SMUなど、など、など、など、LO側を側を側を側をFloatingにできる機器にできる機器にできる機器にできる機器が必須。が必須。が必須。が必須。
� 検知電圧検知電圧検知電圧検知電圧 : 数数数数mV~数数数数100mV� 検知電圧検知電圧検知電圧検知電圧 : 数数数数mV~数数数数100mV
ISENSEのFloating測定
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3-5. SINK動作動作動作動作+電圧印加電圧印加電圧印加電圧印加
25
SMU SMUTBAT
CHGGND
VBATISENSECTRLVCHG
数数数数uAバッテリ動作バッテリ動作バッテリ動作バッテリ動作外部電源動作外部電源動作外部電源動作外部電源動作
TEST1
SCL
SDA
• TBATはサーミスタの接続端子。デバイスからはサーミスタの接続端子。デバイスからはサーミスタの接続端子。デバイスからはサーミスタの接続端子。デバイスからuA程度の定電流が出る。程度の定電流が出る。程度の定電流が出る。程度の定電流が出る。
• SMUはデバイスからの定電流を引き込みながらはデバイスからの定電流を引き込みながらはデバイスからの定電流を引き込みながらはデバイスからの定電流を引き込みながら(SINK動作動作動作動作)、、、、電圧印加。検知電圧印加。検知電圧印加。検知電圧印加。検知
温度に相当する電圧閾値、ヒステリシスを探す。温度に相当する電圧閾値、ヒステリシスを探す。温度に相当する電圧閾値、ヒステリシスを探す。温度に相当する電圧閾値、ヒステリシスを探す。
• SINK動作動作動作動作+電圧印加は電圧印加は電圧印加は電圧印加はSMUにしかできない動作。にしかできない動作。にしかできない動作。にしかできない動作。
TBATのSINK動作と閾値探索
SMU 10mV~1V程度印加程度印加程度印加程度印加
温度検知
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3-6. 閾値、ヒステリシス判定の工夫閾値、ヒステリシス判定の工夫閾値、ヒステリシス判定の工夫閾値、ヒステリシス判定の工夫
26
R1
r_hst
(TEST1)
compOUT
IN
ヒステリシス回路の例
閾値とヒステリシス評価は閾値とヒステリシス評価は閾値とヒステリシス評価は閾値とヒステリシス評価は
抵抗値の評価でもある。抵抗値の評価でもある。抵抗値の評価でもある。抵抗値の評価でもある。
VIN
VOUT
Vth
V_histSMUでランプでランプでランプでランプ
[ 基本手法基本手法基本手法基本手法 ]
SMUでステップランプを作り、各電圧でVOUTを判定基本手法
[ 工夫工夫工夫工夫1: バイナリサーチ手法バイナリサーチ手法バイナリサーチ手法バイナリサーチ手法 ]
VIN
VOUT
Vth
V_hist
時短に有効。ヒステリシスがあるため、リセットをしながらVthを追い込む。リセット付バイナリサーチ法
時間で、Vthを判定。波形発生器などランプスピードと正確な同期のコントロールができる場合、有効。
[ 工夫工夫工夫工夫2: 時間測定手法時間測定手法時間測定手法時間測定手法 ]
VIN
VOUT
Vth
V_histAWGでランプでランプでランプでランプ
指定ランプレート指定ランプレート指定ランプレート指定ランプレート時間時間時間時間測定測定測定測定時間測定法 SMU波形法
[ 工夫工夫工夫工夫3: SMUで波形生成で波形生成で波形生成で波形生成]
測定は [工夫2] と同じ。ドライブ能力が必要な場合に適する。AWG
Force HI
Sense HI
Force LO
Sense LO
DUTSMU
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4. まとめまとめまとめまとめ
27
� 電源の評価方法と実例をまとめた電源の評価方法と実例をまとめた電源の評価方法と実例をまとめた電源の評価方法と実例をまとめた
� 負荷変動
� 効率評価
� スイッチングノイズ評価
� 入力変動
� PSRR
� 充電の基本事項と評価方法をまとめた充電の基本事項と評価方法をまとめた充電の基本事項と評価方法をまとめた充電の基本事項と評価方法をまとめた
� CCCV動作
� テスト回路
� Floating測定
� 閾値、ヒステリシス測定
テクトロニクス/ケースレー イノベーション・フォーラム2013
参考資料参考資料参考資料参考資料
28
http://www.keithley.jp/products/localizedproducts/allmaterials/2602A
http://www.keithley.jp/data?asset=57490 (英語版)
テクトロニクス/ケースレー イノベーション・フォーラム2013
29
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