当前,新能源电动汽车发展如火如荼,世界主要大国或地区基本上会在2030-2035年左右禁售燃油车;同时,离中国制造2025年实现工业4.0的国家战略规划目标越来越近。现代科技与工业几乎离不开半导体,目前包括SiC、GaN等的第三代半导体的应用越来越多。在这几大主流的新形势下,在所有的科技与技术发展的应用中,检测与测试总是先行。没有对各种设备产品的检测测试以及模拟,就不可能设计、研发、验证成功的产品,没有好的电池技术测试、模拟和管理,就不可能解决人类在使用科技产品过程中最关心的续航问题,没有对工业4.0过程中的测试自动化和测试标准化就不可能实现好的智能制造。
11月11日,在跨国媒体AspenCore举办的2022国际集成电路展览会暨研讨会(IIC Shenzhen)的工业4.0论坛上,众多演讲嘉宾分享了第三代半导体下的设备检测,如何利用电池模拟技术,加速电池管理开发,提高续航,以及工业4.0中怎样利用测试实现数据的智能管理,连通数据孤岛,加速制造业数字化转型。
一、泰克:精准测试助力解决SiC、GaN电源的开发测试难题
泰克科技技术经理刘剑分享了在SiC、GaN电源相关测试中的难题及如何解决,这也是作为设备检测行业的领先企业泰克在实际测试工作中的经验总结。
1、第三代半导体时代的设备检测挑战
第三代半导体的应用越来越多,它有很多特性,比如dv/dt,di/dt越来越快,Vgs范围变窄等等,见下图:
怎样用好第三代半导体器件?只要摸清楚、摸透它们的特性,我们就能更好地做出更多的设计。
2、第三代半导体给测试带来的差异
第三代半导体带来的诸多挑战中,给测试方面带来了各种差异。
首先是杂感对功率回路的影响
如下图:
右边的管子本身全部插进去,那么露出一部分引脚测出来的波形是怎么样的呢?
如果引脚越长,引线电感就很大,它带来大概十几个纳赫电感的增加。这时候如果再看波形的测量,就发现不管是波形的峰值电压,或者它的过充都有明显的差异。
因此,设计这些电路时,其支撑的参数对越来越快的器件的影响是很大的。
第二是串扰CROSSTALK
有一个比较经典的例子是从氮化硅的原理介绍上引用出来的。
这对电路是一个典型的半桥电路做了大量的建模仿真得到了结果。下图是一个仿真出来的波形。左边上面是管子,它本身在导通,由于电路里有大量的支撑参数,所以可以看到在导通的过程中对应的管子就会产生一个串扰。
这个串扰大概到什么级别?
原来它在负10.5V,串扰会导致电压的波动超过4V以上。右边管子也是一样,它也会产生相应的串扰电压,这个电压的变化也超过4V以上。
由于三级电压的范围是越来越窄,这样的串扰会导致管子的误导通,就可能出现炸管的情况。如果碰到炸管,基本上都是由于电路中的集成参数导致的。
同时,由于其开关频率越来越快,串扰特性会变得越来越明显。
第三是长期可靠性问题
在做测试时,除了要注意细节以外,可靠性也很关键。
2021年上半年发生了一个较大的电动汽车召回事件,其原因是:车辆的后电机逆变器功率半导体元件可能存在微小的制造差异,可能导致车辆使用一段时间后,后逆变器会发生故障,造成逆变器不能正常控制电流,由此停车过久就会导致车辆无法启动。此故障发生在车辆形式状态时,会导致车辆市区行驶动力,极端情况下可能增加车辆碰撞风险,存在安全隐患。
这次事件中,这家厂商最先把碳化硅元件应用到他们的新能源汽车中,尽管做了很先进的设计,但是在长期使用后,其元件/管子还是出现了可靠性问题。主要原因在于可靠性测试出现了问题。
因此,无论是设计前、设计中还是设计后,对第三代半导体产品的设计提出了更高的测试要求。
第三代半导体的测试要求
第一是测试系统的带宽
测试系统带宽越宽,测试到的跨延就越来越准确,一般希望系统带宽是系统本身的最快频率或者最高谐波的五次谐波以上。这样才能保证在这种损态测试里面,持续测量精度在2%以下。
同时,测试的很多的电路要用差分探头去测。
第二是探头杂感的影响
如果用高压差分探头去测量,探测系统的杂感对电路测试也是有影响,也会严重影响峰值或者是振铃的测试,差异可能会差到几十伏。
这也是在测试中要注意的,要进一步使用尽量短的前端减少探测系统的基层差数。
第三是共模抑制
理论上来说,我们希望的共模抑制比可能是无穷大的。但实际上对于差分探头来说并不是理想的。譬如以上面图示系统来说,如果要测上面差分的 5 伏的电压,但它上面叠加的共模是 600 伏。
如果用共模抑制比是 100 万分之一或者是 10 万分之一,也就说对它做 10 万倍的抑制,共模电压 600 伏。大概是在 6 个毫伏以下的共模会叠加在5 伏的差分信号上面。这个共模抑制比就很好,测试就没有问题。
如果测试是在40DB的共模抑制比下,衰减 100 倍。这时候我在5伏差分电压上面就会叠加6伏的共模电压。这时会导致在这个三管侧上面非常不准确。
所以测试过程中要注意:用差分探头的时候一定要选好共模抑制比。
第四是高带宽电流采集
由于要检查功率、效率等性能指标,测试中除了测电压,有时还需要测电流,而电流也有它的带宽问题。
这是测电流时候的一个差异,一种是用带宽 200 兆的分流器来测。另外一种是是用PEM来测,两个带宽,一个是 50 兆,一个是 200 兆。
看到红色曲线中测出来的振铃,它的过充、幅值与这50 兆的带宽探头有很大差异,所以电流带宽对测试的影响也很大了。
右图是一个典型的双脉冲的测试的波形图。一个是用 120 兆带宽TCB0030A的电流探头来测,另外一个是用电流分流器来测。
可以明显的看到这个双脉冲后面叠加了振铃。带宽越宽,实际的波形的细节会更加准确。
第五是时间校正
探头通道延迟对测试的影响如上图。
针对第三代半导体的测试设备
由于第三代半导体带来的测试挑战,对测试的要求越来越高,测试要注意的方面也越来越多。这样就对测试设备也提出了更高的要求。
对此,泰克科技与时俱进,提供了数款强大的测试设备。譬如光隔离探头、更强功能的12 位的 ADC示波器、模块动态参数测试设备Edison系列、模块静态测试系统SPT1000A系列、动态老化测试系统 Dynamic HTGB/HTRB等等。
有关这些测试设备的详细性能参数和测试方法可以关注我们或者联系作者(微信同名)获取资料。
二、精测:利用电池模拟技术,加速BMU的开发,提升产品续航能力
随着新能源行业的发展,太阳能、电动汽车动力电池等新能源的需求越来越多,使用中/消费者对它们的要求也越来越高。
日常使用的电子产品,譬如电动汽车,机器人、智能电子门锁、智能可穿戴等等都会用到电池。但是,困扰人们使用这些电子产品的最大问题之一是电池续航问题。
因此,在做好产品评估与测试时必须评估产品的功耗,测试、改善电池的续航能力。
在2022 IIC Shenzhen会议上,精测仪器高级应用工程师陈珍柱先生分享了如何利用是德科技的电池模拟技术和测试分析仪器,加速BMU的开发,提升产品续航能力。这也是在电池续航测试的一些测试解决方案。
直流电源分析仪
这是直流电源的分析仪,它包含的功能非常全面,除了最简单的电源与负载的测试能力,还有内置任意的波形发射器功能,这些功能还可以测试产品的电源的波动情况对产品的工作状态的影响。
同时,还有长时间的电压和电流数据记录功能,这个功能方便分析产品在不同的工作状态下的功耗情况,方便设计工程师改变产品的工作状况,让产品得到最优化的设计。
此外,还有一个很关键的无缝量程的电流测量,在测试小电流特别有用,对于智能可穿戴产品的有些比较特殊的工作状态。譬如工作状态到休眠状态的电流测量,如果使用的测量仪器不具备无缝测量能力,有可能在切换量程的时候,对中间损害功耗的测试就不准确。
它还有内置电阻仿真功能,可以模拟电池的工作状态,以及在不同工作状态时内阻的变化。其内置的电量计可以操作正常的电压、电流,包括电池的内阻,它的开路电压等等。只有内置电量计才能做到。
要实现上面这些功能,做好测试分析,除了硬件,还需要配备强大的软件,这就是是德科技配备的强大的BV9200软件系统。
先进电源控制软件BV9200
BV9200是先进的电源控制软件,它可以同时控制4台 N6705 /N7900 /RP7900,集成了4大功能:
第一是示波器模式,它可以抓取产品工作状态损害的信号;
第二是数据记录功能,它可以长时间记录产品在不同工作状态下的功耗情况;
第三是ARB波形编辑功能,它可以模拟工作电源在不同的状态下的产品工作形态,功能非常实用。
第四是统计分析CCDF功能。
同时也会支持API函数的调用,用户可进行软件二次开发。如果想把它集成到自动化系统中,为客户提供相应的API函数做相应的测试和调用。
利用强大的直流电源分析仪和先进的电源控制软件BV9200可以实现对很多产品的测试评估。下面是典型的无人机开发过程中的电池续航测试评估与验证。
续航测试、评估与验证
续航测试与评估
上图左边是无人机启动的过程,开机,待机,中间是无人机正常工作状态的起飞降落,包括WIFI连接的工作状态。
可以看到开机待机过程的电流非常小,但是正常工作电流非常大,因此这对测试来说是个非常大的挑战。
如果要分析它的功耗,就要在软件里分析它正常工作的功耗,某一段的待机功耗,通过这些分析去改善产品的设计。
上表通过测试列出了它的平均功耗,平均电流,最大电流,通过这个方式去发现问题,改善续航。
电池容量验证
产品设计时,选择什么样的电池去给产品供电,什么样的电池会比较合适,就需要做功耗评估。
简单认为电池的电量除以电流或者功耗可以可以测算电池续航时间,但实际的情况并不是如此,没有经过专业的测试,这样估算的续航是不准的。
上图红色的位置是无人机正常工作时的电流。
给它不停的循环做电流的耗电,上面是模拟电池端电压的变化,随着模拟的进行会发现电池的端电压会越来越低,也就是电池越来越耗电,电量消耗越来越大,很快就无法给无人机工作了。
我们选择容量是1.1安时的电池,但经过测试可能发现,总放电量是926毫安时,也就是说实际测试与正常的电池标签电量不一致。这种情况下我们需要评估电池,并考虑产品功耗状况要做哪些改善,这就是需要评估考量的问题。
这些简单的分析看到的是电池的基本特性,我们在产品分析与模拟时就需要去看看这些产品在电池下工作是否能够正常满足需求。
这就需要做电池模拟时,电池模拟就是把电池的这些特性模拟出来,给产品做合适的功耗分析。如果产品的功耗分析做得比较好,电池的使用,包括使用的寿命,这些续航能力会得到最优化。
电池模拟
如果没有专业的电池模拟,简单加一个电源,加一个负载,无法用电源的简单的充放电进行分析。
做电池模拟,首先需要了解电池的特性。显示对锂电池的了解。
我们把电池当做一个理想的恒流源,它的电流输出与吸收时它转换是无缝转换的,而且它的响应会非常快。
我们看到产品待载时电流会有损态变化,但是电池是一个理想的恒流源,因此其电压基本没有什么太大的变化,基本上像一根直线。
但是用一般的电源去模拟时会发现,由于电源会有响应时间,还会有恢复时间,电源端就会有跳动。
如果要真正模拟电池一定要考虑到电池的快速响应,包括无缝切换的能力。是德科技的APS序列的电源里都具备,很多型号都具备无缝的切换。
下面是锂电池的几个重要曲线特张:
电池内阻
电池的特性中其内阻也是非常核心与关键的因素,在模拟时必须要考虑到电池内阻才能真实的模拟电池的变化,否则测试可能就不准确。是德科技的产品系列都具备这个特性。
APS解决上电测试难题
下面是如何利用是德科技的APS电源控制分析软件解决上电测试难题。
如果要测试产品,比如做无缝量程切换,电源负载的无缝切换,APS有提供合适的解决方案,包括大功率电源损变,就是电源变动对产品的影响。针对上电时期和下电时期的变化,也有多模块、多通路的解决方案,包括浪涌电流,记录功能等等,都是APS中所具备的特点。
是德科技的产品线包含了从几百瓦的小功率到几千瓦的大功率测试设备,能够利用符合电池特性的电池模拟技术,利用先进的电源控制软件BV9200,测试、评估不同工作状态下的功耗,加速BMU的开发,提升电池续航能力。
三、NI:数据智能管理连通数据孤岛,加速制造业数字化转型
随着互联网、新能源、大数据等技术的迅猛发展,人类生产方式发生重大的变革,德国为应对全球挑战,率先提出了工业4.0的发展计划。我国根据发展的实际情况,提出中国制造2025年的国家战略规划。毋容置疑,智能制造必定是世界制造业未来的发展趋势。
智能制造是一种由智能机器和人类共同组成的人机一体化智能系统,具有高度集成化,包含智能制造技术和智能制造系统。
然而,智能制造离不开数据,更离不开数据的获取、分析和应用,这就是数据的智能管理。
在2022 IIC Shenzhen会议上,上海恩艾仪器有限公司、大中华区智能制造和和测试标准化相关业务发展经理赵春雷先生分享、探讨了数据智能管理联通数据孤岛,加速制造业数字化转型这个当前制造业最为热门的话题。
上海恩艾仪器有限公司是NI在中国的全资子公司,NI专注于测试测量行业,服务于全球35000多家客户。NI包括4大业务部门,服务于半导体和电子制造的半导体电子事业部,服务于航天航空和国防安全的航空航天和国防事业部,服务于汽车的汽车事业部以及服务于生命科学、能源、机械和大型科研机构的全业务事业部。
从航空航天到汽车制造的不同行业和领域,NI通过标准化测试,联通产品生命周期,数据管理,加速制造企业的数字化转型。我们通过测试数据的有效获取和分析利用,帮助客户提高生产力,加速创新和发现,实现企业自我价值。赵春雷先生主首先分析了制造业数字化转型及测试所面临的挑战,然后介绍了NI的数字化转型解决方案和价值,并分享了NI在制造业数字化转型方面的成功案例
1、制造企业的数字化转型以及测试所面临的挑战
企业的高效运行离不开高质量、有竞争力的产品,在产品研发、验证及生产流程中,测试提供了反映产品性能和质量的重要数据,是产品生命周期的重要支撑。NI的标准化测试平台以及产品生命周期数据分析这是帮助客户提高产品质量和性能,提高企业运营效率的有效工具。
从工业4.0的演进到智能制造对测试的需求分析发现,测试和其他制造过程一样正在经历从测试自动化到测试标准化,再到数字化的转型过程。产品的性能通过测试来表征,自动化的软件历程可以增加测试的覆盖率,模块化,商业化的软件和硬件可以加速测试开发的流程。在最短时间里最大化地获取产品性能的全面数据。通过对这些产品性能的测试数据分析,并应用于产品性能和制造过程的改进,从而提升产品的质量。这就是产品的数字化转型的过程。
大家都希望通过测试获取分享数据,这类数据分析并加以利用来提升产品的质量。测试的数字化转型目的在于连接产品生命周期各阶段的测试数据的产生和使用,从而更好地利用这些宝贵的数字资产。通过连接测试数据,可以帮助企业应对产品复杂度的增加,加速产品上市,提高运行效率,从而取得领先优势。
然而,目前常见的情况是,虽然产品从研发到验证、生产,再到客户的使用过程中,通过测试产生了大量数据,但是这些数据分散在不同环节、不同部门,由不同的软件平台,如PUM、ERP、MASS(音)、CRM等分别管理。但各个部门的数据、格式、需求、标准不同,难以联通,并深入挖掘,从而形成一个个事实上的数据孤岛。在企业中,这些数据的获取由IT部门在管理,而OT部门需要使用这些测试数据,数据孤岛阻碍了这些测试数据在IT和OT部门间高效的流转,并得到深入和有效的利用。
NI的标准化测试平台和产品生命周期数据分析工具,通过标准化测试贯穿产品研发、验证及生产流程,使用性的联通这些数据孤岛,解放OT部门的业务经验,从产品生命周期的全视角去分析数据,洞察数据的内涵,并有效加以利用。
2、NI的数字化转型解决方案和价值
NI有哪些解决方案可以帮助企业在产品生命周期的全过程获取产品数据、分析数据,并加以利用呢?
产品从设计和原型到研发验证,再到生产和使用等各个环节,NI的标准化测试平台测试产品,获得大规模的产品测试数据,并将这些数据经过归一化、信息补充、数据清洗,再传导到中央数据源,以测试数据为基础,配合其他数据来源,综合分析,将数据洞察以可视化的KPI的方式呈现给客户,应用到设计和生产的各个环节,从而打通并应用全流程的测试数据。NI的标准化平台生命周期数据分析的4步框架和技术,为测试数据的有效获取和分析利用提供了强有力的支撑,同时也为人工智能和机器学习提供了可信的数据来源。
基于模型的系统工程,包含很重要的建模和仿真,从需求分析到产品设计,系统模型,再到详细设计和分析,生产仿真等,每个环节都需要单一的可信的数据来源来验证模型,NI的标准化测试软硬件平台和测试数据分析管理软件在支持这些数据工程方面发挥着重要的作用,通过高效的测试,在各个层级为模型提供可信、完整、使用、高效的数据,从而最大化测试的价值。
NI企业级的测试和数据分析管理以产品测试数据为中心,以测试数据的有效利用自下而上推动数字化转型,NI提供了从边缘端到云端的整体解决方案。
NI所有的软硬件都是采用标准化的设计,在不同的产品生命周期阶段去进行测试。不管是汽车还是IC,不管是研发的测试还是生产端的测试,数据的来源极其复杂,既包括NI和非NI的测试设备的测试数据,也包括连接客户终端的各类传感器的监控数据,数据格式极其多样,统一地软硬件平台可以让数据的获取和利用更加方便。同时,NI会经由测试运行管理平台来管理测试设备,测试运行以及测试数据,这个系统还能够使标准化测试成为数据湖的一部分,与第三方的企业级系统,PLM,CIM等系统进行相应的数据连接,除了测试数据,生产制造和产品生命周期,还包括相关的流程数据、设备数据、使用数据以及维修数据,这些数据综合在一起,经由产品分析软件对数据进行实时分析,进而实时优化,智能优化产品测试方案及生产流程,这就是NI联通测试数据,加速制造企业数字化转型的整体解决方案。
从采集到分析,再到洞察这样的整体解决方案有什么样的好处呢?最大的好处是因为NI采用了标准化的软件平台去进行数据的收集,使得我们能够得心应手应对海量的测试数据。同时可以对数据进行归一化,信息补充和数据清洗,为我所用。另外,我们能够为第三方的设备提供灵活的接入,从而完整地感知测试状态,并最大化我们的数据收集效率。
其次,我们看到NI的测试运行管理平台能够很好地满足大规模复杂测试系统的管理需求,同时有非常高的管理效率。在我们一个客户中,在生产的产品有1万多种,随时可能工作的设备有2500多台,单个品种的产品每小时产能是2000多片,每天产生的数据量达到1.5个GB左右,要对这些海量数据进行数据跟踪分析极其困难,在应用了SystemLink之后,所有的资产和数据得到了有效的管理,工厂的效率得到了提升,管理层可以从产线、产能的分析来优化产线、优化工厂的运行,及时进行调配。研发可以实时获取可信的产品和生产数据,及时优化产品模型。这里有两个非常关键的因素,第一,是数据的完整性,第二,是数据的实时可见性。基于SystemLink的测试运行管理软件和基于OptimalPlus的产品分析软件这两大利器结合在一起,将测试数据、研发数据、生产数据和使用数据进行融合,从产品全生命周期去分析问题,挖掘并拓展测试和测试数据的潜在价值。SystemLink和OptimalPlus帮助我们非常好地去支持以产品为中心和以设备为中心的数字化转型。
NI 硬件平台产生测试数据,模拟产品测试
NI的PXI平台,是业内认可的最具灵活性的模块化、高性能测试平台,既可用于快速测量,也可用于开发涵盖多种产品的自动化测试系统。和其他台式仪表相比,PXI平台具有无可比拟的开放性。在通用的PXI机箱内,可以使用来自于不同供应商的最具特色和性价比的功能模块。基于PXI平台搭建的测试系统,相较于基于台式仪表搭配的测试系统,系统配置更加灵活,占地空间更小,更具成本的优势。在完成相应功能的条件下,具有更小的体积,更适合恶劣环境的现场应用,是边缘测试的最佳平台。
NI的智能测试系统更好地满足了客户多品种、小批量的测试需求。从基本的测试功能到定制化功能的实现,NI的测试系统很好地在成本和性能之间通过标准化实现了平衡。所装备的Smart PDU、Smart Sensor可以智能地监控能源的使用,达到节能减排、建设绿色工厂的目标。ActiveUptime可以监控测试设备的健康状况,通过预防性的维护,最低成本地保障测试设备的正常运行。单机的测试运行管理平台可以很好的帮助客户优化测试,提升效率,支持快速唤醒,进而降低生产成本。
之外,NI还提供多种多样的软件,让工程师能专注于解决工程应用问题,专注测试开发流程。如果说LabVIEW是应用最为广泛的测试和测量开发环境,那TestStand所具有的高效率的测试特点,必然使其成为产线测试软件的首选。TestStand还能够连通第三方的开源软件,如python,帮助大家去开发客户自制定的应用需求。
在管理软件层面,可以通过SystemLink去统一管理测试端所有的软硬件平台和数据及应用。从测试收集数据,到分析后行动的四步框架可以帮助我们改善测试运行环境。
OptimalPlus系统能够结合数据湖中其他的数据来源共同对产品进行深层次的实时数据分析,从而将数据洞察转换成相应的行动,应用于改善产品和流程。我们以测试数据为基础,作为数据湖中的一部分,与其他PLM、ERP、CRM系统打通,离线上我们可以做可追溯,从CRM获得故障信息,从生产过程、测试过程对各个子系统的追溯找到源头问题,分析完善解决方案,并改进。可以根据综合信息分析,直接应用于生产测试过程。例如某个生产测试经过数据综合分析,发现某个供应商的部件从来不出问题,可以提示,并经过工程确认好,将产品测试变成抽检的方式,从而提高生产效率。反过来如果监控出现问题的趋势,系统立刻动作恢复为全检,并重新测试,这些效率的改进都是基于实时的分析,迅速的行动,从而降低潜在的风险。
测试的运维通过SystemLink来掌控,产品数据和流程的分析和优化由OptimalPlus来实现。SystemLink和OptimalPlus两个软件平台结合在一起,实现了在智能制造中从洞察发现了什么,到分析为什么发生,进而主动预防的良性循环。
NI系统的优势
首先,NI站在测试的角度提供了统一的软硬件平台,打通了从研发到验证,再到生产的整个流程。
其次,以产品为中心,以及以设备为中心的数字化转型使测试和数据的使用效果最大化。
同时,整个NI的平台不仅是标准化,同时也是开放型的,它会非常方便联通第三方的测试系统和测试软件,能够帮助我们打通更多的测试设备、数据和流程。
NI的产品可以通过深入挖掘测试和数据分析,提升数据的价值,从而加速智能制造的数字化转型。
3、NI数字化转型成功案例
NI的LabVIEW软件大量应用于开发测试测量系统,从分析中发现,基于LabVIEW的测试设备开发平均减少了3-4倍的开发时间,节省了50%的维护成本,实现了80%的行动。LabVIEW是目前使用广泛且支持全面的测试软件。
全球超过有30万的测试工程师在使用LabVIEW开发测试应用,可以在LabVIEW社区一起分享,积累测试开发的经验。此外全球有超过1000多家合作伙伴,可以帮助工程师开发测试应用,还有超过600多种插件和应用为您所用。
比如用NI的DIAdem,标准化数据管理方法,从而减少了90%的数据分析和报告的时间,节省了850万美元,获得惊人的340%的投资回报率。
一流的硬件与行业标准软件的结合,帮助飞利浦节省了数百万美元,测试成本降低81%,软件缺陷率降低86%。
NI的数字化转型解决方案帮助客户提升了设备的综合效率,减少了67%的报废,单个工厂全年节省了超过800万美金。
NI通过下列方式实现这些目标:
1、报警信号和MEMS系统闭环运行。
2、通过运行完整的交叉分析,在生产流程早期发现故障,从而降低成本。
3、实时了预测性维护,减少了设备综合成本。
4、运用人工智能和机器学习减少了误判。
5、运用融合算法,可以应用在前线,也可以应用在后线。
NI了解数字化转型相关的细微差别和挑战,可以将测试和测试集成到数字化转型计划中,并连接整个企业的系统和数据,以提升洞察力,提高运行效率,将数字化转型愿景变为现实,