Keysight N6705B 电源拆机及评测

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N6705是安捷伦在2008年推出的一款高端直流电源设备。当广大国内外电源厂商还在为如何压低电源成本苦苦挣扎的时候，N6705横空出世，将高端电源设备的门槛提到了匪夷所思的高度。当时在国内展会上第一次看到这款电源的时候，大多数人的第一反应是，电源为什么要做成这样！？安捷伦内部对于这款电源产品的认识也有点混乱。

N6705A的英文名称是DC power analyzer，翻译成中文应该叫做直流功率分析仪，其中的Power是功耗/功率之意。这与早期安捷伦的681X系列AC power analyzer的名称一脉相承，表示专门用于交流功率分析的交流源。但N6705A的中文名字直接被翻译成“直流电源分析仪”，在很长一段时间内被误以为是用来测量电源的仪表，导致大量客户的误解。事实上，这本身就是一款提供直流输出的高端电源，并不具备分析其他电源的能力。这个翻译名称到今天还在继续使用，只不过由于客户群慢慢熟悉了这款产品，才逐渐化解开最初的误解。

在Keysight中文版的网站上，直流电源分析仪的名字依然存在。

http://www.keysight.com/zh-CN/pd-1842303-pn-N6705B/dc-power-analyzer-modular-600-w-4-slots?cc=CN&lc=chi

而在6813B的中文页面上，其中文名称则被翻译成“交流电源/功率分析仪”，含义显然准确的多。

http://www.keysight.com/zh-CN/pd-1000001644%3Aepsg%3Apro-pn-6813B/ac-power-source-power-analyzer-1750-va-300-v-13-a?

cc=CN&lc=chi

上图是N6705B的正视图，高度为3U，全机架宽度。这个外观与传统的台式电源有着巨大的差别。据早年安捷伦内部员工透露，这个前面板设计经过几次推翻重来，后来经过示波器面板设计团队的帮助，才最终定稿。主要的特点就是众多的按键旋钮和巨大的彩色显示屏幕。这在当时平庸的电源外观设计中，算是足够的震撼。

电源后面板除了交流供电端口，还提供了LAN/USB/GPIB编程接口，以及几组数字IO端口和触发端口和散热出风口。后面板的两边各有两组黑色的手拧螺丝，用于摘掉上下盖板，安放电源模块。机箱的结构设计一般，其原因是由于电源重量过重（主机达到15KG），如果摆放不善，容易导致受力位置受损，尤其在运输过程中容易造成外部金属面板的变形和损坏。这与传统HP电源厚重皮实的外观，和禁摔抗造的品质产生了一定差异。

拧开两侧的手拧螺丝，可以将电源的上下盖打开，如上图所示。里面就是安装电源模块的位置。N6705B的上下面板各有两个插槽，最多可以安装4组电源模块，由颜色区分，分别对应到前面板的四组输出端口。

电源模块与主机之间的连接是通过上图中的两组排针实现，模块被垂直插入卡槽中，同时排针插入电源模块，所有供电和通信都依靠排针完成。主机与电源模块间的通信接口并不对外开放，因此电源模块不能单独使用，必须与主机配合在一起。

电源模块的输出端在模块的尾端，这里出镜的是N678X系列的高精度SMU模块，其接口共有8个管脚，选择使用其中的正负输出端，以及正负采样端，连好接头，并插入电源模块中，就可以开始使用了！

开机瞬间还是比较激动的，操作系统未知，但整个开机过程比较迅速，从启动电源到进入系统只花费了17秒左右的时间，这在目前功能越来越复杂的测试仪表中，考虑到开机的自检，操作系统的启动，这算是相当不错的成绩。下面问题就要来了，根据keysight网站的信息，N6705B的主机价格是8078美元，单个电源模块价格从603美元到8607美元不等，如果一个主机配上四个电源模块，可以轻松突破两万美元的价格。请问谁会花两这样的价格买一台直流电源？

我们再来仔细察看一下配合N6705B电源使用的众多电源模块的特点。这次我们拿到手的是一块代表N6705平台最高性能的N6781A高精度SMU模块。其目录价高达6191美元。国内价格一个模块配上电源主机轻松突破10万人民币，基本达到中端示波器或低端射频仪表价格。但是它只是一台直流电源啊。凭什么卖这么贵呢，因为作为电源它的指标达到了前所未有的高度。

N6781A电源模块将直流电源提供的测量功能提升到了前所未有的高度。该电源模块提供了四档电流量程如下图所示：

电流测量精度（23°C ± 5°C）：

在最小量程下，其电流测量精度达到了逆天的纳安级别。这是过去传统直流电源未曾尝试过的精度水平。也正因为如此，Keysight将N6781A定义为SMU模块。而另一项逆天指标是电源模块的测量采样率。在官网上我们看到有关采样率的描述如下：高速数字化测量——采用内置 200 kHz 数字转换器，每隔 5 μs 对被测件的功耗进行捕获/查看但在N6781A的Data Sheet上我们并没有看到相应的指标说明，以及在此采样率下，电流的测量精度如何。

理论上讲，现在的高速AD芯片可以支持示波器达到上百GHz的采样率。但示波器只是8bit分辨率的仪表，因此测量精度很差。如果要同时达到高精度和高采样率，例如18bit ADC芯片，一般的采样率也只能达到500KHz~1MHz左右。而这仅仅是采样速率，对于高精度测量，采样结果的积分和数字滤波处理，还会进一步降低测量速率。因此对N6781A来讲，这样的指标确实非常难得。电源模块的外观如下图所示：

前面黑色的部分是散热风扇，将冷空气吸入并从后方的散热口吹出。下图是涡轮散热风扇的细节，这种结构的风扇常见于主板或者显卡散热，散热效率更高，但是产生的噪音比较大。可以看出用料非常扎实。

电源模块底部与主机之间的连接插口是一组2 x 13 pin的专用接口。稍微吐槽一下的是这个接口的可靠性有待考量，主机上的插针看起来很容易折弯。模块必须垂直插入主机的连接插头中，安装时具有一定的难度。

下面我们将电源模块侧面的螺丝拧开，将模块的上金属盖揭开，看看这块价值6000美元的电源里面的构造。

打开上盖的时候确实很吃惊，这么小的空间里面横竖安排了六七块电路板，走线和空间布局井井有条，各种散热、防静电、结构支撑部件安排合理，散发出一股精致高端的感觉。内部最大的金属件就是这块不规则的散热片，从电源模块的顶端延伸到尾部，里面的导流槽引导风扇吸入的冷空气经过各个发热器件，最后从电源尾端排出，非常精致的设计，空间利用充分。

再来一张，热爱电子设计的少年可以拿这张图欣赏一阵子了

模拟电路板

数字电路板，上面使用了一块Xilinx Spartan-3A DSP FPGA，上面带有高速DSP芯片和嵌入式CPU，可见在高速电压电流采集之后的处理工作非常繁重。数字电路板上并没有使用单独的CPU芯片，任务处理应该是在FPGA内部的SOC上执行的

我们大致了解了keysight N6705B的电源结构，主机功能和高精度模块的牛逼之处后。下面我们就来看一下这样的电源能用来做什么，到底什么样的有钱人愿意花这么高的价格购买一台直流电源。

N6705B配合高精度电源模块的一个重要应用就是手机的直流耗电分析功能。早在功能机时代，这个测试需求并不显著，大多数手机的待机时间在一周左右，因此大多数生产厂家对手机的耗电问题并不重视，无论研发或生产过程中，手机的直流耗电分析并不构成技术门槛。自从智能机问世后，大家才开始真正直面耗电优化问题。由于大屏幕屏幕的使用，和越来越复杂的操作系统，导致手机耗电急剧上升。因而对手机的耗电优化成为各家智能手机在比拼指标时的重要宣传点。这时整个市场都对耗电优化问题产生了巨大的热情，顾客要求整机厂商优化耗电，整机厂商要求下游芯片厂商优化耗电，耗电指标一时之间成为各个手机零部件厂商最重要的衡量标准，无论功放，基带芯片，显示屏，摄像头，麦克风，每个厂家都在为如何多节省几个微安的电流绞尽脑汁。

耗电优化的前提就是耗电测量，如果测都测不准，其他的都是扯淡。但是别小看耗电测量问题，这在过去几年一直都是非常让人头疼的事情。常规概念里，直流耗电测试其实就是测量电流，因为电池基本上属于恒压源，电流的大小正比于功率的大小，因此测对电流值，就了解了产品的直流功耗。测电流很容易啊，用万用表就可以了，大多数人都知道这个方法。但是在手机的耗电分析中，你需要面对的电流并不是稳定的直流电流，而是异常复杂的电流脉冲波形。这是由于设计手机时，为了满足省电的需求，大部分的手机零部件都被设计成时分工作模式，也就是说，它们只在必要时开始工作，其余时间全部处于休眠模式以节省电量。

比如手机不操作时，屏幕会自动变黑，这是为了节省电量。CPU负荷低时，会关闭几个内核，这也是为了节省电量。在基带芯片设计和通信制式设计上，也都遵守这样的规范。因此手机的耗电变成了一连串不规则的脉冲电流波形，某一个功能开启时，出现一个电流尖峰，功能结束后，电流迅速跌落，如下图所示：

因此在测量电流的过程中，为了达到准确的目的，必须采取高速采样的方式，才能尽可能捕捉到所有的电流脉冲细节。高速采样并不是问题，现在的示波器动辄GHz采样率，用来做电流脉冲捕捉绰绰有余，因此，示波器加电流探头的方式成为一种电流波形捕捉的手段。

但是当你再次认真分析手机的耗电波形时，你会发现另一个难以逾越的困难，那就是电流波形的起伏非常巨大。在功放开启时，也就是手机向基站传递信号时，巨大的功率才能将信号以无线的方式向遥远的基站传递出去，这时，手机的直流耗电电流可以轻易达到1A以上。而在极限情况下的功放测试，甚至需要5A以上的电流才能达到测试的边界条件。另一方面在安静的待机模式下，手机的待机电流可以低至微安级别，这中间有高达10^8的巨大差异，这种幅度差异巨大的信号，是任何一台高分辨率示波器都难以同时捕捉到的。

如大家所知，示波器通常采用8bit量化ADC芯片，以1A的电流量程为例，用8bit芯片测量时，最多只能检测到1/256=4mA的电流。1uA的电流将远远被量化误差所掩盖，根本不能被体现出来。有人会认为uA级电流太过微小，根本无需注意。但可惜的是，这些微小的电流恰恰组成了手机的绝大部分工作时间。极高的脉冲尖峰电流却仅仅只占有极少量的工作时间。因此，微小电流的精确分析与脉冲电流的捕捉同样重要，同样决定了手机的待机时间。所以可见，高速、高分辨率的电流测量从来都不是简单的事情，甚至可以说，在漫长的手机发展历史中，耗电测量从来就是一翻在黑暗中进行的摸索，根本就没有工具可以有说服力的证明耗电指标的准确性。

直到N6705B配合高精度电源模块的出现，正是意图解决上面说到的问题。N6705B配合高精度电源模块，将电源与测量功能结合在一起，成为手机耗电测试中，最好用的解决方案。正如我们在前面两个专题里提到的，N6781A电源模块变态的电流测量精度达到了纳安级别，而标称最高采样率达到200KHz，基本可以满足对高速和高精度的要求。但面对大幅度变化的电流波形，即使使用高分辨率ADC芯片，N6781A仍然不能满足微安级电流与安培级电流的同时捕捉。

如上图所示，在3A量程下，电流测量精度只能达到250uA，而如果真正想捕捉微安级电流波形，需要使用1mA量程才能达到所需要的精度。但是用过万用表的读者可能会有了解，在信号测量过程中，由于一开始我们不知道待测信号的幅度，因此需要在多个量程中进行反复的尝试（也就是一边切换量程，一边进行读数），直到选择出最合适的量程为止。在这个过程中，需要内部继电器在不同的电阻分流器之间切换，期间会产生毫秒级的量程切换时间，导致电流测量的不连续。

更让人不爽的是，在手机等移动通信设备中，由于负载电流也在快速变化，因此量程的切换速度永远跟不上电流的变化速度。因此传统的数字万用表在进行测试时，仅适用于对稳定信号进行测量。大起伏范围的变化信号，是无法准确进行捕捉的。那么N6781A如何解决这一问题呢？这时，再次体现安捷伦变态技术的时刻又到了，N6781A提供了另一项前所未有的技术，被称之为seamless ranging（无缝量程切换），也就是可以无间隙的切换量程。

有关这项技术的实现方式在安捷伦的网站上并没有太多介绍。我们猜测安捷伦使用了多块ADC芯片，同时对信号在多个量程上进行并行测量，并将测量到的结果进行拼接，并保留下最合适量程下的测量数据，形成最终的测量结果。为了验证我们的想法，我们在网络上找到了一项安捷伦公司于2002年申请的专利技术：在点对点测试中通过最优量程的选择达成高速测量系统。

网上可以查到这项专利的申请人是Russell A. Clegg和James R. Medunick。LinkedIn主页上显示James在安捷伦工作15年，而第一作者Russell老先生都没有LinkedIn主页，估计也是个对互联网不太感冒的高龄工程师。我们把专利描述中的系统结构图贴出来，大家就可以立刻发现其中的奥妙。在这一技术中，三块AD芯片被同步使用，对同一信号进行测量，同时提供一个Over Load BIT Latch的信号位，如果测量信号超出量程，则该量程下的测量数据被判无效。因此，每次测量实际上都提供了三组测试结果，而后续的判断机制从中选择最合适量程的数据，传输到后端予以保留。这就是Seamless ranging技术的核心机制。

Seamless ranging在3A，100mA，1mA三个量程下起作用，通过这三块ADC芯片的叠加，增强了测试效果。根据安捷伦的描述，电流在微安至安培级变化的过程中，N6781A可以对电流进行连续的高达200KHz采样，并且为每一个采样点选择最合适的量程，不会有任何数据丢失和测量终端。这真的属于测试测量领域的黑科技了。如下图所示，电流小于1mA时，该量程下的ADC芯片起作用提供测试数据，在1～100mA之间时，中间量程的ADC芯片起作用。大于100mA时，最大量程ADC起作用。

在实际的数字电路部分中，我们可以看到N6781A除了使用一块Xilinx Spartan3作为FPGA芯片外，还用了两块DAC芯片，分别是DAC7565和AD7328（在FPGA芯片左侧）。在网站上我们可以查到这块DAC7565是一个四通道12bit ADC芯片，而AD7328是一块8通道单极性12bit ADC芯片，也可以作为四通道双极性12bit ADC使用（可以同时测量正负信号），这非常符合N6781A的正负电流输出特性。我们可以猜测AD7328是用于电流测量的芯片，它的四路双极性ADC分别对应了N6781A提供的四个电流测量量程，而其中的三个量程可以完成无缝切换任务。而DAC7565的四路ADC则可能对应电压测量功能。

这个技术将信号的测量有效范围大幅度扩展。按照Keysight的描述，相当于等效提供了28bit分辨率的AD芯片，并且可以达到200KHz采样率。这个说法略微有一些不严谨，28bit分辨率要求可以在3A量程下达到约100nA分辨率。但是Keysight这项技术对每个量程下的分辨率和测试精度并没有提高，在3A量程下的测量精度仍然远远低于100mA和1mA量程，但却能大幅度提高小信号的测量精度，这相对以前的测试技术仍是巨大的进步。非常希望有一天能在数字万用表上看到这项技术的使用。未完待续

bobde163

最近我也在思考这个自动切换量程的问题，没有什么完美的办法，只用适合于目标待测系统的办法，不论是使用继电器切换或者MOS管切换，只要切换速度大于电流的变化速率，再配合合理的采样值选取就能满足测试需求。

文中说到N6705是通过3路不同量程的ADC来同时采样同一个信号，那么我有个问题，就是这个“同时对信号在多个量程上进行并行测量”，是指对同一个采样电阻产生的电压降进行测量吗？如果是这样，那么要同时满足uA级 mA级 A级的测量的采样电阻取多大的阻值合适呢？取太大，那么在A级电流时，产生的压降会很大导致输出电源波动大，如果取太小，则在uA级产生的压降又太小导致对放大电路有很高要求，不知道楼主有没有详细的图，能不能确定是只使用了一个采样电阻？