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Accurate PV Testing SMU

精准测量-工具篇:

为什么源表SMU要自带滤波与平均功能?

内容

太阳能电池 I-V 特性分析

  太阳能或光伏 (PV) 电池是从光源中吸收光子 然后释放电子的装置,当电池与负载相连时促使电流流动产生电力。光伏电池研究人员和制造商致力于以最低的成本,实现最高的效率。因此,对光伏电池和光伏材料进行电气特性分析是研究、 开发和制造过程的重要部分。对太阳能电池进行电流-电压特性分析可以获得有关电池效能的重要参数,包括最大电流 (Imax) 和最大电 压 (Vmax)、开路电压 (Voc)、短路电流 (Isc) 及效率 (η)。

Accurate PV Testing

在太阳能电池I/V特性分析中使用的电源测量设备(Source-Measure-Unit, SMU)。

为何选择SMU来进行太阳能电池的I/V测试?

  许多半导体和电子装置测试皆涉及要尽可能快地输出电压和量测电流。整体测试时间是由充电时间、量测时间、放电时间,以及设定和处理测试时间所组成的函数。传统的电源供应器只能输出电压或电流,而无法输入。但是,四象限SMU仪器不仅可以输出和输入电压和电流,同时还可以量测电压、电流或电阻。 SMU仪器的四象限运作透过自动输入模式,能够迅速吸收来自待测装置 (DUT) 和布线的所有电荷,可有效加速放电时间。此外,若将此输出和量测能力紧密整合至单一仪器,即不再需要单独的数字万用电表 (DMM) 和电源供应器。这将可改善测试时间、简化整体测试系 统设计,并提升可用性。因此,在太阳能电池的I/V测试中,四象限的源表SMU (Souce-Measure-Unit)是最推荐的以是最常见的。

低电流量测的噪声最大来源-交流电源的干扰

  在低电流的测试中,噪声噪声对读值的影响是需要考虑的,一般噪声来源有1) 静电耦合; 2) 震动/变形 3)飘移电流 4)交流电源干扰。其中交流电源的干扰是最严重的干扰。

  交流电源如何产生干扰的噪声呢?简单说,电测仪表的供电系统,多是由市电AC交流电压供电后,由内部的全波或是半波整流电路整流后,产生「直流电压」,供应给相关的放大电路、AD电路等。事实上,「直流电压」仍会带有「纹波」(ripple voltage)。此纹波电源就是一种微小的供电「不稳定」,对测量电路的读值也会跟着产生微小震荡。这也就是我们在读值上产生「跳动」,形成噪声的干扰。

Full-wave rectifier and half-wave rectifier circuit.

全波整流与半波整流电路。两者均可将AC交流的输入电压,整流、平滑后,输出接近「直流」DC的电压,但是仍会留有「纹波」特征。此纹波会对测量电路,形成读值的「噪声」。

  因此,不论是源表SMU或是多菜单DMM,在设计上就必许考虑这种内部电源纹波的噪声影响。除了本身在交流-直流转换电路上精进,在低电流讯号测量上,更需要有将这种纹波噪声噪声与真正带测讯号分离或消除的设计。目前源表SMU或多菜单DMM在自身的测量功能上都内建了NPLC滤波平均滤波的功能,来消除噪声对待测讯号的干扰。以下就针对这两种功能做简单说明。

SMU如何消除测量噪声:内建NPLC/滤波/移动平均功能的介绍

NPLC 滤波功能

  NPLC是采样电源的周期倍数,N代表是多少倍,PLC (Power Line Cycle)是电源线周期。如前述,交流电源的干扰是很厉害的。为了减少交流电源的干扰,一个常用的方法就是把测量周期尽可能的取成交流周波的整数倍。这样,在一个周期内各种干扰能够互相抵消

NPLC filtering and sampling in the Keithley source meter manual

上图是吉时利源表手册上对于NPLC滤波与取样的示意图。NPLC 指的就是电源线周期的数量,表示讯号取样的持续时间(或称积分时间)。使用整数倍的NPLC可产生最准确的量测, 但您便会受限于电源线周期频率 (在 60Hz 时 1 PLC = 60 读数/s,或在50Hz时为 50 读数/s)。

PV_the definition and importance of NPLC for electrical measurement equipment

  https://tw.tek.com/support/faqs/what-nplc-and-why-it-important

  太克官网提到电测设备的NPLC定义及其重要性。不论是直流电压、直流电流和电阻测量表的测量分辨率与精度,都会因为交流电源噪声而下降。利用NPLC电源线周期的整数倍采样,可以降低交流电源噪声。使用N=1或是更大的NPLC会增加数据采集的积分时间,从而将噪声消除,进而提高测量分辨率与准绝度。NPLC=100可以带来最高的准确度,但是整个测试的时间会是NPLC=1的100倍。

  我们再来看看是德科技Keysight(前安捷伦)怎么在描述内建NPLC功能与噪声滤除。N的设定相当于就是决定了采样的周期也决定了采样的积分时间。N=1也就是讯号的采样时间总和(或称积分时间)与一个电源周期的总时间量相当,因此可以将噪声平均,取得的平均值为零

time axis & voltage value

  上图横坐标是时间轴,纵坐标是电压值。「感兴趣的讯号DCV位准」假定是115.5mV,而蓝色的弦波是「电源线噪声」。当NPLC=1时整个采样的周期刚好是「电源线噪声的周期」,因此采集的平均噪声值就是0。而这一段时间就称为积分时间。

time axis & voltage value NPLC=0.1

  我们再来看一下当NPLC=0.1时的状况。假设NPLC=0.1,每次测量的时间周期就是积分时间= 1ms。数据采样只有取得电源线噪声周期的一小部分,因此测量的结果会包含噪声。也就是我们上图所看到的结果:「感兴趣的讯号」是115.5mV但是测量的结果是116mV或是114mV。

  读者可能对于电测表的「积分时间」感觉很陌生、很难体会。可以换个方式理解NPLC: NPLC的设定就决定源表SMU「自动采样平均」的次数。假设SMU的采样一个读值是固定的=1ms。市电频率是50Hz,也就是一个电源线周期是0.02sec。当设定NPLC=1时,源表就会自动在采集(0.02sec/1ms)=20次,然后把这20次的采样平均后输出读值。而这20次的采样是平均分布在电源线周期的一个完整周期,所以平均下来就是0,也就消除了噪声。当单次采样时间比1ms快很多,接近无穷小,则就是上述的「积分时间」的概念。

  测量速度与性能两难全。例如使用的交流电是50Hz,一个周期是0.02秒,因此若NPLC=1就是测量采样周期为0.02秒,若NPLC=10就是测量采样周期为0.2秒,若NPLC=50就是测量采样周期为1秒。只有提高NPLC这样才能抑制噪音,提高交流共模抑制比。当然,有的时候要追求测量速度,采样周期小于0.02秒,那必然要牺牲电表测试性能了。也就是前述的,NPLC=100可以带来最高的准确度,但是整个测试的时间会是NPLC=1的100倍。

平均滤波器功能

  平均滤波器的功能与NPLC=1的概念相似,藉由多次采样后平均,可以有效的消除电源噪声或是其他噪声。

built-in Filter function

上图以吉时利的电表为例,其内建了Filter滤波器功能。其提供了移动平均与重复平均两种滤波器类型,并且可以设置滤波器计数数目与滤波窗口。移动平均滤波器若设置滤波器计数=10,其第一个独值会显示第1到第10的采样值平均。第二个读值显示,会将第2到第11的采样值平均。以此类推。而重复滤波器若设置滤波器计数=10,其第一个读值将会是第1~10的采样平均后,输出读值。第二个读值将会显示第11~20的采样的平均值。

  源表「滤波器」(Filter)功能,是内建的「平均」的概念,为的也是有效的消除噪声噪声。藉由多次的采样平均,来消出噪声以提高测量的精度与分辨率。同样的,平均计数越多,读值结果就越精确,但所耗费的时间就越久。不适合动态变化的样品(非平衡态)或是不稳定的样品。

如何启动NPLC的功能?

  因为每个源表SMU都内建了NPLC或是平均滤波器的功能。用户可以利用仪表面板的按钮功能或是编程控制NPLC或是滤波器的功能。

NPLC function of Keysight's SMU

上图为是德科技的SMU源表,针对其NPLC参数与性能的说明。读者可以依照其手册说明,利用其面板按钮来设定NPLC的功能。

main frequency and NPLC in the Keithley SMU2400 manual

上图是吉时利SMU2400手册中,对于如何设定市电频率与NPLC的说明。想要编程控制的读者,可参考2400的操作手册,有十分详细的指令功能介绍。建议想要编程控制的读者,需要对电表SMU各项功能还有与计算机通讯概念都有基本了解,比较能够上手。适合有仪表控制基础的读者。

IVS-KA6000如何控制源表NPLC功能?

  前面我们提到太阳能电池的测量上,源表SMU是最佳的I/V测试工具。作为太阳能电池I/V测量的最强软件IVS-KA6000,不仅可控制多种SMU,并依据所设定的测量参数,进行电流与电压的数据采集、分析。在采集完成后,软件可以直接分析待测太阳能电池的相关参数,包括短路电流、开路电压、填充因子、最大功率、转换效率等。因此,SMU的NPLC的设定是属于IVS-KA6000的基础功能模块。

按照下面的图文步骤就能控制许多SMU的功能,包含NPLC设定。

1. 确定IVS-KA6000与SMU的通信链接。只要勾选主画面左下方区块的Source-Meter,显示绿灯就代表与SMU成功连结,可以透过IVS-KA6000控制SMU。

SMU Connection

2. 点选上方「Setup Test」区块,进入各种的仪表控制页面。

SMU Connection Instr. Setup

3. 进入仪表设定画面,第一个分页(红色方框)「Main」就是SMU的选择以及相关的通信设置。使用者只要藉由下拉选单选择所使用的SMU,右方的蓝色方框的通信设置值就会自动设定。无需使用者再翻阅SMU手册进行相关数值设定。

SMU Connection Config

4. 选择下方黄色方框的「Config」可以进入SMU的进一步设置。进入后就可以看到NPLC(“Number Power Line Cycles”)的设置。透过下拉选单选定后,按下「OK」按钮,即可完成设定。

Number Power Line Cycles

5. 在此功能设定页面,除了NPLC的设定,SMU内部的「电流上」与「两线法/四线法」设定,也可以在此页面简单的完成。

6. 回到主画面,就可以开始太阳能电池的I/V测试。

总结

  太阳能电池I/V测量系统在电测方面最适合采用四象限的源表SMU。在电测过程中,最大的噪声来源通常来自于电源线周期噪声。电源线周期噪声来自于交流电源转换成直流电源后,仍带有周期性的纹波,进而产生干扰噪声。所以源表SMU均内建NPLC与滤波平均功能,以消除周期性的纹波噪声。一般可以透过SMU面板控制功能来设定与控制NPLC或是平均滤波器功能,也可以透过通讯指令编程控制。最简单的方式,是透过最强大的I/V测试软件IVS-KA6000即可简单的控制NPLC滤波平均功能。

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