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

3

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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

4

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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

8

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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

9

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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

10

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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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