利用智能測試技術(shù)延長(cháng)物聯(lián)網(wǎng)設備電池續航時(shí)間

作者/Robert Green 泰克科技公司吉時(shí)利儀器產(chǎn)品線(xiàn)高級市場(chǎng)拓展經(jīng)理

　　降低能耗和優(yōu)化功率管理功能是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)開(kāi)發(fā)人員關(guān)注的主要問(wèn)題，但他們面臨的挑戰可能會(huì )形態(tài)各異。在可穿戴設備中，設計目標可能是把電池續航時(shí)間從幾天延長(cháng)到幾周。對位置接觸困難的傳感器節點(diǎn)來(lái)說(shuō)，目標則可能是把電池續航時(shí)間延長(cháng)到幾十年。

　　不管最終設計目標是什么，測試測量在確定設計修改或元器件選型是延長(cháng)電池續航時(shí)間還是相反的過(guò)程中發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。盡管物聯(lián)網(wǎng)設備使用的元器件正在穩步改進(jìn)，其能夠使用非常低的功率運行，但準確描述每個(gè)元件的能耗以及系統級的整體運行狀況，對有效地利用可用能源仍具有至關(guān)重要的意義。

　　典型的物聯(lián)網(wǎng)設備至少有一個(gè)傳感器、一個(gè)處理器和一個(gè)無(wú)線(xiàn)電芯片，無(wú)線(xiàn)電芯片在不同的狀態(tài)下工作，在幾十納秒中消耗從幾百納安到幾百毫安的電流(圖1)。表征低功耗設備不是一件小事，它可以保證設備一直位于約定的功率預算內。我們面臨的挑戰包括：準確地捕獲很寬的電流動(dòng)態(tài)范圍，在測量期間捕獲復雜快速的發(fā)送模式電流波形，以及確保為被測器件提供穩定準確的功率等。

　　圖1 無(wú)線(xiàn)電芯片不同工作狀態(tài)下電流狀況

　　[圖示內容：]

　　Microprocessor, Microcontroller (34 uW): 微處理器、微控制器(34 uW)

　　Antenna: 天線(xiàn)

　　Sensor (14 uW): 傳感器(14 uW)

　　Power management (20uW): 功率管理(20uW)

　　Radio (12 uW): 無(wú)線(xiàn)電(12 uW)

　　Power budget: 80 uW: 功率預算：80 uW

　　Power source: 電源

　　Battery life: 6 months: 電源續航時(shí)間：6個(gè)月

　　1寬電流范圍

　　對物聯(lián)網(wǎng)應用，設備必須能夠在不同的工作狀態(tài)下高效運行，從深度睡眠到輕度使用，再到多任務(wù)處理以及密集處理。根據與不同的工作狀態(tài)有關(guān)的模式數量，耗電量會(huì )立即從幾百納安躍升到幾百毫安。

　　傳統儀器可能會(huì )滿(mǎn)足低端需求(如皮安表)或高端需求(如電流探頭)，但其一般不能涵蓋整個(gè)電流范圍。重新配置儀器設置，甚至測試設置不僅容易出錯，而且在實(shí)踐中并不可行。

　　對大多數物聯(lián)網(wǎng)應用來(lái)說(shuō)，處理這么寬的動(dòng)態(tài)范圍，最好的方法是使用數字萬(wàn)用表(DMM)的自動(dòng)量程功能。在理想情況下，最好能使用單一的配置設置，捕獲很寬的電壓和電流動(dòng)態(tài)測量范圍 (圖2)。

　　圖2 使用數字萬(wàn)用表單一配置捕獲電壓及電流動(dòng)態(tài)測量范圍

　　2深度睡眠電流

　　在許多物聯(lián)網(wǎng)應用中，設備或傳感器節點(diǎn)可能會(huì )在峰值活動(dòng)周期之間有幾個(gè)小時(shí)、幾天，甚至幾周保持空閑。視具體使用模式，降低睡眠模式功耗可以顯著(zhù)延長(cháng)電池的整體使用壽命。

　　低功耗元器件及電源管理方面的新技術(shù)進(jìn)展產(chǎn)生了大量的低功耗睡眠模式，在運行模式或空閑模式之外提供了更精細的級別，為限制功耗提供了更加完善的戰略。這些模式如待機模式、瞌睡模式、睡眠模式和深度睡眠模式，會(huì )有不同的電流，通常從幾十微安到最低幾十納安。圖3是使用帶有18位采樣模數轉換器(ADC)的數字萬(wàn)用表在100 μA范圍內捕獲的多電平空閑模式電流脈沖波形的實(shí)例。有些電流測量技術(shù)，比如使用帶有電流探頭的示波器，不能實(shí)現超低電流要求的靈敏度。在使用安培表時(shí)，低電流測量精度可能會(huì )受到各種誤差來(lái)源的影響，如來(lái)自?xún)炔看?lián)電阻的高達500 mV的負載電壓，以及靜電或壓電效應生成的誤差電流。

　　圖3多電平空閑模式電流脈沖波形

　　在并聯(lián)電流表或通用數字萬(wàn)用表DMM中，選擇較小的并聯(lián)電阻值可以降低輸入時(shí)間常數，加快儀器的響應時(shí)間。但是，這會(huì )劣化信噪比，影響測量的精度和靈敏度。

　　更適合的選項是高分辨率的專(zhuān)用DMM，如7位半，其在檢測納安和更小的變化時(shí)實(shí)現了極高的靈敏度，并使用低壓負載的反饋電流表測量技術(shù)。使用擁有大的讀取緩沖器的DMM，對表征睡眠模式能耗也非常關(guān)鍵，大的讀取緩沖器要能夠存儲幾百萬(wàn)個(gè)帶有時(shí)間標記的讀數。這樣您就可以在多個(gè)活動(dòng)事件和空閑事件上，在更長(cháng)的時(shí)間內查看設備或傳感器節點(diǎn)操作。

　　3捕獲瞬態(tài)信號和快速跳變信號

　　有源物聯(lián)網(wǎng)器件操作通常由簡(jiǎn)單而零散但狀態(tài)復雜的多種操作模式組成。例如，當設備從睡眠模式喚醒到活動(dòng)模式時(shí)，通常要用幾微秒的時(shí)間從睡眠模式轉換到待機模式，然后再進(jìn)入活動(dòng)模式，而使用傳統電流表通常很難捕獲喚醒過(guò)程。

　　大多數電流表或基本數字萬(wàn)用表DMM都是讀取速率較慢的直流儀器儀表。盡管許多DMM規定了電源線(xiàn)周期數(NPLC)，以指明捕獲數據的窗口，但這個(gè)指標并不包括數據處理開(kāi)銷(xiāo)?？倳r(shí)間決定了儀器是否準備好下一次讀取，快速瞬變可能會(huì )被丟到處理開(kāi)銷(xiāo)中。

　　采樣率在確定儀器能夠捕獲的波形細節方面發(fā)揮著(zhù)重要作用。采樣率越快，重建被測原始波形的能力更好。根據內奎斯特或采樣定理，信號采樣率至少是最高頻率分量的兩倍，才能準確地重建信號，避免假信號(采樣不足)。

　　圖4 使用能夠以1 M樣點(diǎn)/秒同時(shí)采樣電壓和電流的高速采樣DMM采樣信號

　　但是，奈奎斯特只是底線(xiàn)，它只適用于正弦波，假設信號是連續的。對物聯(lián)網(wǎng)設備操作中的快速瞬態(tài)信號，最高頻率分量速率的兩倍是不夠的。某些DMM規定采樣率為50 k樣點(diǎn)/秒。但在50 k樣點(diǎn)/秒或每個(gè)樣點(diǎn)20 μs的情況下，可能會(huì )漏掉僅持續幾十微秒的小的瞬態(tài)信號。因此，對物聯(lián)網(wǎng)應用，最好使用能夠以1 M樣點(diǎn)/秒同時(shí)采樣電壓和電流的高速采樣DMM (圖4)。

　　4觸發(fā)隔離特定事件

　　視不同的應用，物聯(lián)網(wǎng)設備操作可能會(huì )涉及長(cháng)時(shí)間間隔中極短的事件突發(fā)，或者包括多個(gè)事件的復雜狀態(tài)操作。為分析這些細節，要求使用觸發(fā)功能仔細檢查復雜的擴展波形的具體部分。

　　傳統電流測量?jì)x器可能并不能隔離具體細節。對于更復雜的物聯(lián)網(wǎng)應用，由于觸發(fā)精度、觸發(fā)時(shí)延、觸發(fā)偏移和抖動(dòng)等問(wèn)題，面向波形的邊沿觸發(fā)或電平觸發(fā)可能是不夠的。微安級或更低的低電平波形會(huì )明顯影響觸發(fā)精度，具體取決于儀器中實(shí)現的觸發(fā)采集方式。

　　通常來(lái)說(shuō)，信號采集和觸發(fā)采集位于不同的路徑。觸發(fā)精度依賴(lài)觸發(fā)采集的靈敏度，如果儀器不能對觸發(fā)事件精確做出反應，可能會(huì )導致觸發(fā)問(wèn)題。觸發(fā)時(shí)延是感應到觸發(fā)事件時(shí)與信號采集開(kāi)始時(shí)之間的時(shí)間。觸發(fā)時(shí)延長(cháng)會(huì )導致不正確地指明觸發(fā)事件發(fā)生時(shí)間，導致不能完全捕獲要求的信號。

　　對更具挑戰性的波形，高級觸發(fā)選項非常實(shí)用，如脈寬寬度、邏輯觸發(fā)、A-B順序觸發(fā)和同步外部觸發(fā)。專(zhuān)用觸發(fā)可以對特定條件做出反應，更簡(jiǎn)便地檢測難檢事件。

　　5更長(cháng)時(shí)間的記錄

　　如前所述，在長(cháng)時(shí)間內進(jìn)行功耗測試的監測設備操作有助于表征系統運行狀態(tài)。您可能要儀器記錄幾秒、幾小時(shí)，甚至幾天的電流。大多數通用DMM沒(méi)有配備足夠的內部數據存儲功能，某些專(zhuān)用電壓和電流測量?jì)x器可以存儲最多256 k讀數，在較高的采樣率下很快就會(huì )出現容量飽和。

　　示波器是為考察極短、極復雜的活動(dòng)而設計的，其采樣速度可以達到每秒數百MS(百萬(wàn)樣點(diǎn))到每秒數GS(千兆樣點(diǎn))。由于一些波形的復雜性及示波器能夠采集極高的樣點(diǎn)數，示波器并不適合確定功率數據隨時(shí)間變化的趨勢。這種類(lèi)型的分析更好地選擇是配備大型內部數據緩沖器的DMM，在理想情況下還可以為外部設備或計算機的實(shí)時(shí)數據流提供支持。

　　6復雜的波形分析

　　功耗管理是物聯(lián)網(wǎng)設計的中心，但深入分析可能會(huì )非常復雜，很容易出錯，而且耗時(shí)很長(cháng)。節省時(shí)間的途徑之一是儀器可以根據設計要求自動(dòng)計算波形。

　　在這類(lèi)分析中，傳統儀器的局限性一般會(huì )顯露無(wú)遺。許多電流表只能采集電流讀數。許多DMM只能存儲一組電流或電壓讀數集。某些專(zhuān)用儀器可能會(huì )提供基本統計數據，比如最小值、最大值和平均值。結合使用示波器和電流探頭是一個(gè)進(jìn)步，另外還可以使用更加完美的數字計算工具，如RMS計算、占空比及其他數學(xué)運算。

　　圖5 使用擁有遠程傳感功能的電源將所需的電壓精確地施加到負載

　　[圖示內容：]

　　Power supply: 電源

　　Output: 輸出

　　Sense: 傳感

　　Load: 負載

　　為了適應波形快速變化的特點(diǎn)，擁有圖形顯示功能的儀器有利于捕獲物聯(lián)網(wǎng)設備的運行，并提供立即“查看”設備運行的功能。通過(guò)測量“選通”等高級功能，您可以更迅速、更深入地了解物聯(lián)網(wǎng)設備的運行，從而可以將測量值限定在允許額外控制的屏幕區域或光標上。

　　除示波器和電流探頭外，最新的圖形采樣DMM也是這類(lèi)應用的推薦之選。這些儀器可以同時(shí)捕獲和顯示設備運行，并對復雜的波形執行自動(dòng)計算，縮短獲得所需信息的時(shí)間。儀器應擁有直觀(guān)快速的接口，能夠對變化的事件迅速做出反應。

　　7供電電壓

　　許多低功耗物聯(lián)網(wǎng)設備通常在3~4 V的電壓范圍內工作。在電池放電周期中的某個(gè)時(shí)刻，由于電池輸出電壓不足以給設備供電而關(guān)機。為最大限度地延長(cháng)產(chǎn)品的工作時(shí)間，必需準確地表征這種低壓關(guān)機閾值。由于設備在窄電壓范圍內運行，因此為設備供電的電源必需有良好的精度，特別是對低壓關(guān)機閾值來(lái)說(shuō)尤其如此。

　　使用擁有遠程傳感功能的電源將所需的電壓精確地施加到負載 (圖5)。不管電源輸出的準確度如何，如果沒(méi)有遠程傳感功能，都不能保證編程電壓等于被測器件(DUT)端子上的電壓。電源會(huì )穩定輸出端子上的電壓，要調節的電壓是DUT的電源輸入。電源和負載用引線(xiàn)分開(kāi)，引線(xiàn)有一個(gè)內阻Rlead。負載上的電壓是：

　　Vload = Vout – 2 × Vlead = Vout – 2 × Iload × Rlead

　　遠程傳感技術(shù)使用感測線(xiàn)，通過(guò)把電源反饋環(huán)路延伸到負載來(lái)自動(dòng)補償引線(xiàn)中的電壓降。負載電壓通過(guò)感測線(xiàn)把負載上的電壓反饋給電源，保證Vload = Vprogrammed。

　　另外注意，由于物聯(lián)網(wǎng)設備工作在低電壓，因此用于為設備供電和測試的電源不會(huì )對設備帶來(lái)不利影響。劣質(zhì)電源產(chǎn)生的噪聲可能會(huì )在對被測設備應用的3~4 V電壓范圍中占有明顯比重。

　　電源的另一個(gè)問(wèn)題是快速物聯(lián)網(wǎng)設備轉換。當設備從睡眠模式或待機模式轉換到發(fā)送模式時(shí)，負載電流會(huì )在幾微秒中從幾毫安變成幾安，負載變化達到1000%。如此快速而巨大的負載變化會(huì )從幾個(gè)層次上給電源帶來(lái)問(wèn)題：

　　? 在糾錯電路檢測新的負載電流，并調節電源以維持編程的輸出電壓時(shí)，會(huì )產(chǎn)生電壓降;

　　? 在電壓低時(shí)，設備測量可能會(huì )不正確;

　　? 如果電壓低于設備低電量關(guān)閉閾值，且低于閾值足夠長(cháng)時(shí)間以使設備檢測到低電平，器件將關(guān)機;

　　為避免這些問(wèn)題，電源應能夠對負載變化快速做出響應，理想情況下應低于100 μs，即使在快速模式跳變期間也能實(shí)現穩定輸出。在這種情況下，要特別注意技術(shù)數據表，瞬態(tài)響應一般定義為當負載變化50%時(shí)電源恢復到接近原始電壓所需的時(shí)間。這一定義是在無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品問(wèn)世之前就確定好的，而無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的負載變化要明顯高得多。

　　8電池輸出

　　評估電池續航時(shí)間的方法之一是使用實(shí)際電池測試物聯(lián)網(wǎng)設備，確定器件保持供電的時(shí)間。然而，等待電池放電可能是耗時(shí)且延遲開(kāi)發(fā)的工作。此外，這種測試方法不精確，具體測試條件難以復制。

　　圖6 使用能模擬電池的電源進(jìn)行模擬測試

　　更有效的方法是使用能模擬電池的電源，其可以在各種條件下進(jìn)行設計測試，從完全電池充電到接近完全放電。您還可以仿真不同類(lèi)型的電池，以確定最適合設備的電源。在評估電池模擬功能時(shí)，不僅要能夠在整個(gè)放電周期內動(dòng)態(tài)建立模擬電池模型，還要能夠模擬電池的內阻及對接近瞬時(shí)負載變化的最小電壓降(快速瞬態(tài)響應)(圖6)。

　　9進(jìn)行測試

　　毫無(wú)疑問(wèn)，物聯(lián)網(wǎng)設計人員面臨著(zhù)電池續航時(shí)間問(wèn)題，必須克服與表征低功耗設備有關(guān)的挑戰。他們必須能夠分析最低10-9 A的睡眠模式電流，觸發(fā)持續時(shí)間短、上升時(shí)間快的波形，在更長(cháng)的時(shí)間內捕獲數據。為DUT提供干凈、穩定、準確的電源是必須的。通過(guò)使用適當的工具和技術(shù)，可以克服所有這些挑戰，最大限度地利用一切可利用的功率。