Comment tester les équipements

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INSTRUMENTATION ÉLECTRONIQUE
Comment tester les équipements
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Les téléphones mobiles, les PDA, les appareils photos et de nombreux appareils électroniques fonctionnant sur piles ou batterie présentent des conditions de fonctionnement très variées. La consommation varie dans de très larges proportions et elle doit s’accommoder de la décharge de la batterie, qui se traduit par une baisse de la tension et une augmentation de l’impédance de sortie. Le test de
ces appareils impose de simuler ces conditions de fonctionnement. La solution idéale consiste à utiliser une alimentation programmable multivoie dotée de fonctionnalités de mesure.
L’
énergie consommée et la durée de
charge des batteries sont des facteurs qui deviennent de plus en
plus critiques dans le développement des matériels, modules et autres produits électroniques. Les téléphones mobiles
sont les produits les plus connus dans ce
domaine mais on peut aussi citer les prothèses
acoustiques, les pacemakers, les baladeurs, les
PDA, les modules Bluetooth, les capteurs Zigbee, les ordinateurs portables, etc.Tous sont
sensibles aux problèmes de consommation.
Au stade de la conception finale, de nombreux
facteurs sont pris en compte pour gérer la
consommation d’énergie et prévoir ainsi la
durée de vie de la batterie. L’analyse de la
conception, la simulation et la modélisation
sont des étapes extrêmement importantes,
mais au final la validation de la conception et
la confirmation des spécifications sont réalisées
en pratiquant des mesures physiques sur
l’équipement.
A partir de là, quelles
L’essentiel
sont les techniques les
Le test des appareils pormieux adaptées pour
tables impose de simuler
mesurer la consommades conditions d’alimentation des équipements
tions très particulières
fonctionnant à basse
Il s’agit en particulier de
tension, avec des
simuler le fonctionnement
charges variables ? Il
de la batterie, avec son
existe deux alternaaugmentation d’impédance en cas de décharge
tives : soit utiliser une
Pour réaliser le test, il existe
alimentation dotée de
des appareils intégrant à la
fonctionnalités
de
fois la fonction “alimentamesure intégrées, soit
tion” et une fonction de
faire appel à des insmesure
truments séparés (ali Lorsque des performances
mentation, appareils de
supérieures sont exigées, il
mesure). La première
faut faire appel à un banc
de test plus classique,
solution est de loin la
constitué d’une alimentameilleure : le câblage et
tion et d’appareils de
les connexions sont
mesure séparés
simplifiés, on gagne de
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la place au niveau du banc ou du rack. De
plus, du fait qu’il n’y a qu’un seul instrument, la programmation est plus facile.Autre
avantage, l’unité en cours de test (Device
Under Test, DUT) peut aussi être protégée
plus facilement contre les surtensions en cas
d’erreur ou de défaut. Enfin, le coût est moins
élevé.
Déterminer les critères de test
La première étape consiste à déterminer les
critères de test. Si l’on veut déterminer la
durée de charge de la batterie, il est nécessaire
de mesurer avec précision la puissance
moyenne consommée sur un temps défini
et pendant la décroissance de la tension d’alimentation de la batterie. S’il s’agit de simuler une alimentation secteur capable de fournir la puissance nécessaire pour les pointes de
courant sans aucun affaiblissement, il est
nécessaire de disposer d’une alimentation à
bande passante suffisamment large pour
maintenir une tension de sortie correcte,
même dans le cas d’un appel de courant brutal. Il faut aussi que le système soit capable
de mesurer le courant absorbé pendant cette pointe de courant. Pour tester les performances de l’équipement sous test au fur et à
mesure que la tension décroît au cours de la
décharge de la batterie, il faut aussi que
l’équipement de test soit capable de simuler
une chute de la tension d’alimentation tout
en synchronisant la mesure de courant et les
autres instruments afin d’étudier les performances pendant la baisse de la tension.
Plusieurs régimes de courant
Une fois que l’analyse de l’équipement a été
effectuée, l’ingénieur de test doit alors avoir
une idée raisonnable du courant absorbé dans
les différentes conditions de fonctionnement.
Le courant de veille ou de pause (il peut y
avoir éventuellement plusieurs niveaux de
En utilisant des alimentations dotées de fonction de mesure de courant,les bancs
de test des appareils portables gagnent en simplicité d’utilisation et en encombrement.
“pause”), l’amplitude des courants de pointe ou de rafale, la durée de ces rafales et leur
fréquence sont des critères très importants.
Il peut même s’avérer nécessaire de tester
l’équipement dans différentes conditions de
fonctionnement : par exemple, déterminer
le courant de veille ou de pause d’un téléphone mobile (quelques microampères) et
transmettre des pointes de courant de 1,6 A.
Du fait que l’équipement testé sera utilisé
avec une batterie, la capacité à simuler étroitement le comportement d’une batterie réelle et la surveillance du courant absorbé à partir de celle-ci sont des points essentiels. Ceci
nécessite une alimentation disposant d’une
tension et d’une impédance de sortie
variables. Cette alimentation doit aussi offrir
une grande bande passante, capable de
répondre rapidement à des variations de
charge brusques dues aux rafales des protocoles de communication tels que TDMA et
GSM, avec une chute de tension et un temps
de récupération minimaux.
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alimentés par piles
Les appareils portables présentent des consommations
très variables en fonction de
l’utilisation (veille,marche,
pause),avec des pointes de
courant (dans le cas du
déclenchement d’une sonnerie
sur un mobile,par exemple).
De plus,leur batterie se
décharge,ce qui se traduit par
une augmentation de l’impédance.Pour tester ce type
d’appareils,la simulation des
conditions d’alimentation
n’est pas une mince affaire…
Lorsque les “chutes” de tension de l’alimentation sont supérieures à celles pour lesquelles le téléphone mobile a été prévu, le
dispositif interne de gestion de l’alimentation conclura que la batterie s’est totalement
déchargée et il commandera alors la mise
hors service de l’appareil. De même, la sonnerie ou une surconsommation peut provoquer une distorsion de phase au niveau des
étages RF et des erreurs d’horloge, particulièrement si le fonctionnement correspond à
un mode rafale TDMA ou GSM. Si on est sûr
que la batterie de l’appareil peut fournir le
courant nécessaire, il est alors possible de
calibrer correctement la sortie RF et on est
assuré qu’elle fournira la puissance maximale prévue par les spécifications de l’appareil. La capacité à simuler la résistance interne d’une batterie permet de tester le
téléphone dans des conditions d’une batterie déchargée dans lesquelles la tension est
faible et où la résistance interne est maximale. Les performances dans les conditions
les plus défavorables (charge de courant
maximale pour le plus fort courant absorbé) peuvent être ainsi vérifiées dans les circonstances les plus réalistes.
Enfin, l’alimentation utilisée pour les tests
doit être capable de fournir les courants de
pointe, de pause et de veille, et d’assurer une
mesure précise du courant moyen afin de
pouvoir prédire la durée de charge de la batterie. Pour gagner beaucoup de temps au
niveau de l’exécution des tests, l’alimentation doit être intelligente, offrir la possibilité d’abaisser la tension de sortie pour simuler la décharge, tout en réalisant les mesures
à chaque étape du test et en détectant automatiquement les courants impulsionnels.
Plusieurs types d’alimentations
pour le test
Il existe sur le marché des alimentations qui
satisfont à toutes ces conditions. Elles sont
connues sous le nom de simulateurs de batteries ou d’alimentations pour équipements
de communications. Celles-ci peuvent également être utilisées pour tester des produits
tels que les appareils photos et les caméscopes
numériques, les assistants personnels (PDA),
les baladeurs et autres appareils susceptibles
de fréquents appels de courants en rafale et
de courte durée.
Certains équipements électroniques ont des
spécifications d’alimentation encore plus
sévères que celles d’un téléphone mobile.
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Spécifications de différents types d’alimentations pour l’instrumentation
Type
Puissance
Précision du
paramétrage
Rapidité
de la réponse
Rapidité
des mesures
Précision de
la mesure
Gamme
de prix
Laboratoire
ATE
(Testeur)
Modulaire
Moyenne
Moyenne
Haute
Moyenne/Haute
mV
mV
Faible
Faible
Faible
Faible
~10 mA
< 100 mA
Basse
Moyenne
mV
Moyenne
Moyenne
< 100 µA
Simulateur
SourceMeter
SourceMeter
multivoie
Faible/Moyenne
Faible/Moyenne
Faible
mV
uV
mV
V-Haute
Haute
Moyenne
Haute
Moyenne-Haute
Moyenne- Haute
~10 µA
~1nA
~1uA
Moyenne/Haute
(selon nombre de voies)
Moyenne
Moyenne-Haute
Basse-Moyenne
(selon nombre de voies)
Pour simuler le comportement des
batteries,il est intéressant d’utiliser des appareils multi-fonctions.
C’est le cas de batteries ou des
alimentations dotées de fonctions
de mesures de courant.
Les durées de charge de leur batterie s’expriment en mois ou années plutôt qu’en
heures, ce qui implique que le courant absorbé moyen soit inférieur à 1 mA et que les
courants de pause ou de veille soient bien
inférieurs au microampère. Pour tester de
tels équipements, les alimentations avec possibilités de mesure telle que celles qui viennent d’être évoquées se révèlent être insuffisantes. Il faut prévoir un appareil de mesure
de courant supplémentaire, capable de mesurer des très faibles courants, tels qu’un picoam-
pèremètre ou un multimètre à hautes performances. Il est aussi possible d’utiliser un type
d’appareil particulier, appelé SMU (Source
Measure Unit, tel que le Sourcemeter de Keithley), qui présente une sensibilité très élevée,
tant au niveau de la mesure de courant que
de la programmation de la tension. Des fonctionnalités de déclenchement évoluées permettent de synchroniser les mesures avec
divers événements afin de pouvoir identifier
des appels de courants imprévisibles. Les SMU
sont utilisés dans un cycle faisant appel à un
Fonctionnalités apportées par les instruments
dédiés à la mesure de courant
Type
d’instrument
Multimètre
basse vitesse
Multimètre
vitesse moyenne
Multimètre
vitesse élevée
Picoampèremètre
Oscilloscope avec
sonde de courant
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Gamme
de mesure
Cadence
de mesure
Précision
de mesure
Gamme
de prix
mA-A
Basse/Moyenne
mA
Basse
µA-A
Moyenne
µA
Moyenne
nA-A
Moyenne/Elevée
nA
Haute
pA-mA
mA-A
Moyenne
Très élevée
pA
mA
Moyenne
Moyenne/Haute
ensemble générateur/retardateur/mesureur
avec lequel il est possible de déclencher sur
un changement de la sortie, puis de prendre
une ou plusieurs mesures après un certain
délai. La source de déclenchement peut être
externe, fournie par un autre instrument, un
PC ou une horloge interne. Ces déclenchements peuvent aussi être activés aux différents
points du cycle de test pour contrôler d’autres
instruments. Il faut aussi que l’appareil soit
capable de prendre plusieurs milliers de points
de mesure sans intervention de l’ordinateur.
Ceci permet d’élaborer des systèmes de test
complexes avec un minimum d’efforts de
mise en œuvre tant pour la partie alimentation
que pour la partie mesure.
Le concept du SourceMeter a été étendu à
de multiples applications où on a besoin
d’alimentations multivoies beaucoup plus
sensibles que les alimentations conventionnelles utilisées dans les équipements de test,
et même que les systèmes modulaires plus
sophistiqués et plus onéreux.
Solutions multi-instruments. Dans certaines
applications, les alimentations dotées de fonctions de mesure de courant ne présentent pas
les performances suffisantes. Il faut alors envisager de construire un banc en associant plusieurs appareils individuels. Cette solution doit
être adoptée lorsque l’on a par exemple besoin
d’un oscilloscope avec une sonde de courant
à très large bande pour localiser des pointes de
courant très rapides ou lorsqu’il faut faire appel
à un picoampèremètre pour mesurer des courants de repos extrêmement bas. Il est important d’utiliser des instruments avec déclenchement externe afin que les lectures puissent être
prises à l’instant correct par rapport aux changements de modes de fonctionnement de
l’équipement sous test ou de la sortie “tension”
de l’alimentation.
Peter Lancaster
Ingénieur d’applications
Keithley Instruments
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