利用智能測試技術(shù)延長物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備電池續(xù)航時間

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

　　降低能耗和優(yōu)化功率管理功能是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)開發(fā)人員關(guān)注的主要問題，但他們面臨的挑戰(zhàn)可能會形態(tài)各異。在可穿戴設(shè)備中，設(shè)計目標(biāo)可能是把電池續(xù)航時間從幾天延長到幾周。對位置接觸困難的傳感器節(jié)點來說，目標(biāo)則可能是把電池續(xù)航時間延長到幾十年。

　　不管最終設(shè)計目標(biāo)是什么，測試測量在確定設(shè)計修改或元器件選型是延長電池續(xù)航時間還是相反的過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。盡管物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備使用的元器件正在穩(wěn)步改進(jìn)，其能夠使用非常低的功率運行，但準(zhǔn)確描述每個元件的能耗以及系統(tǒng)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(shè)備至少有一個傳感器、一個處理器和一個無線電芯片，無線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(shè)備不是一件小事，它可以保證設(shè)備一直位于約定的功率預(yù)算內(nèi)。我們面臨的挑戰(zhàn)包括：準(zhǔn)確地捕獲很寬的電流動態(tài)范圍，在測量期間捕獲復(fù)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(wěn)定準(zhǔn)確的功率等。

　　圖1 無線電芯片不同工作狀態(tài)下電流狀況

　　[圖示內(nèi)容：]

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

　　Antenna: 天線

　　Sensor (14 uW): 傳感器(14 uW)

　　Power management (20uW): 功率管理(20uW)

　　Radio (12 uW): 無線電(12 uW)

　　Power budget: 80 uW: 功率預(yù)算：80 uW

　　Power source: 電源

　　Battery life: 6 months: 電源續(xù)航時間：6個月

　　1寬電流范圍

　　對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，設(shè)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(jù)與不同的工作狀態(tài)有關(guān)的模式數(shù)量，耗電量會立即從幾百納安躍升到幾百毫安。

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

　　對大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來說，處理這么寬的動態(tài)范圍，最好的方法是使用數(shù)字萬用表(DMM)的自動量程功能。在理想情況下，最好能使用單一的配置設(shè)置，捕獲很寬的電壓和電流動態(tài)測量范圍 (圖2)。

　　圖2 使用數(shù)字萬用表單一配置捕獲電壓及電流動態(tài)測量范圍

　　2深度睡眠電流

　　在許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，設(shè)備或傳感器節(jié)點可能會在峰值活動周期之間有幾個小時、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延長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(xì)的級別，為限制功耗提供了更加完善的戰(zhàn)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(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的數(shù)字萬用表在100 μA范圍內(nèi)捕獲的多電平空閑模式電流脈沖波形的實例。有些電流測量技術(shù)，比如使用帶有電流探頭的示波器，不能實現(xiàn)超低電流要求的靈敏度。在使用安培表時，低電流測量精度可能會受到各種誤差來源的影響，如來自內(nèi)部串聯(lián)電阻的高達(dá)500 mV的負(fù)載電壓，以及靜電或壓電效應(yīng)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(shù)字萬用表DMM中，選擇較小的并聯(lián)電阻值可以降低輸入時間常數(shù)，加快儀器的響應(yīng)時間。但是，這會劣化信噪比，影響測量的精度和靈敏度。

　　更適合的選項是高分辨率的專用DMM，如7位半，其在檢測納安和更小的變化時實現(xiàn)了極高的靈敏度，并使用低壓負(fù)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個帶有時間標(biāo)記的讀數(shù)。這樣您就可以在多個活動事件和空閑事件上，在更長的時間內(nèi)查看設(shè)備或傳感器節(jié)點操作。

　　3捕獲瞬態(tài)信號和快速跳變信號

　　有源物聯(lián)網(wǎng)器件操作通常由簡單而零散但狀態(tài)復(fù)雜的多種操作模式組成。例如，當(dāng)設(shè)備從睡眠模式喚醒到活動模式時，通常要用幾微秒的時間從睡眠模式轉(zhuǎn)換到待機模式，然后再進(jìn)入活動模式，而使用傳統(tǒng)電流表通常很難捕獲喚醒過程。

　　大多數(shù)電流表或基本數(shù)字萬用表DMM都是讀取速率較慢的直流儀器儀表。盡管許多DMM規(guī)定了電源線周期數(shù)(NPLC)，以指明捕獲數(shù)據(jù)的窗口，但這個指標(biāo)并不包括數(shù)據(jù)處理開銷。總時間決定了儀器是否準(zhǔn)備好下一次讀取，快速瞬變可能會被丟到處理開銷中。

　　采樣率在確定儀器能夠捕獲的波形細(xì)節(jié)方面發(fā)揮著重要作用。采樣率越快，重建被測原始波形的能力更好。根據(jù)內(nèi)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(zhǔn)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/秒同時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，它只適用于正弦波，假設(shè)信號是連續(xù)的。對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(guī)定采樣率為50 k樣點/秒。但在50 k樣點/秒或每個樣點20 μs的情況下，可能會漏掉僅持續(xù)幾十微秒的小的瞬態(tài)信號。因此，對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，最好使用能夠以1 M樣點/秒同時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(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備操作可能會涉及長時間間隔中極短的事件突發(fā)，或者包括多個事件的復(fù)雜狀態(tài)操作。為分析這些細(xì)節(jié)，要求使用觸發(fā)功能仔細(xì)檢查復(fù)雜的擴展波形的具體部分。

　　傳統(tǒng)電流測量儀器可能并不能隔離具體細(xì)節(jié)。對于更復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，由于觸發(fā)精度、觸發(fā)時延、觸發(fā)偏移和抖動等問題，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明顯影響觸發(fā)精度，具體取決于儀器中實現(xiàn)的觸發(fā)采集方式。

　　通常來說，信號采集和觸發(fā)采集位于不同的路徑。觸發(fā)精度依賴觸發(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(yīng)，可能會導(dǎo)致觸發(fā)問題。觸發(fā)時延是感應(yīng)到觸發(fā)事件時與信號采集開始時之間的時間。觸發(fā)時延長會導(dǎo)致不正確地指明觸發(fā)事件發(fā)生時間，導(dǎo)致不能完全捕獲要求的信號。

　　對更具挑戰(zhàn)性的波形，高級觸發(fā)選項非常實用，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)。專用觸發(fā)可以對特定條件做出反應(yīng)，更簡便地檢測難檢事件。

　　5更長時間的記錄

　　如前所述，在長時間內(nèi)進(jìn)行功耗測試的監(jiān)測設(shè)備操作有助于表征系統(tǒng)運行狀態(tài)。您可能要儀器記錄幾秒、幾小時，甚至幾天的電流。大多數(shù)通用DMM沒有配備足夠的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲功能，某些專用電壓和電流測量儀器可以存儲最多256 k讀數(shù)，在較高的采樣率下很快就會出現(xiàn)容量飽和。

　　示波器是為考察極短、極復(fù)雜的活動而設(shè)計的，其采樣速度可以達(dá)到每秒數(shù)百MS(百萬樣點)到每秒數(shù)GS(千兆樣點)。由于一些波形的復(fù)雜性及示波器能夠采集極高的樣點數(shù)，示波器并不適合確定功率數(shù)據(jù)隨時間變化的趨勢。這種類型的分析更好地選擇是配備大型內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖器的DMM，在理想情況下還可以為外部設(shè)備或計算機的實時數(shù)據(jù)流提供支持。

　　6復(fù)雜的波形分析

　　功耗管理是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的中心，但深入分析可能會非常復(fù)雜，很容易出錯，而且耗時很長。節(jié)省時間的途徑之一是儀器可以根據(jù)設(shè)計要求自動計算波形。

　　在這類分析中，傳統(tǒng)儀器的局限性一般會顯露無遺。許多電流表只能采集電流讀數(shù)。許多DMM只能存儲一組電流或電壓讀數(shù)集。某些專用儀器可能會提供基本統(tǒng)計數(shù)據(jù)，比如最小值、最大值和平均值。結(jié)合使用示波器和電流探頭是一個進(jìn)步，另外還可以使用更加完美的數(shù)字計算工具，如RMS計算、占空比及其他數(shù)學(xué)運算。

　　圖5 使用擁有遠(yuǎn)程傳感功能的電源將所需的電壓精確地施加到負(fù)載

　　[圖示內(nèi)容：]

　　Power supply: 電源

　　Output: 輸出

　　Sense: 傳感

　　Load: 負(fù)載

　　為了適應(yīng)波形快速變化的特點，擁有圖形顯示功能的儀器有利于捕獲物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的運行，并提供立即“查看”設(shè)備運行的功能。通過測量“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(shè)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(qū)域或光標(biāo)上。

　　除示波器和電流探頭外，最新的圖形采樣DMM也是這類應(yīng)用的推薦之選。這些儀器可以同時捕獲和顯示設(shè)備運行，并對復(fù)雜的波形執(zhí)行自動計算，縮短獲得所需信息的時間。儀器應(yīng)擁有直觀快速的接口，能夠?qū)ψ兓氖录杆僮龀龇磻?yīng)。

　　7供電電壓

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

　　使用擁有遠(yuǎn)程傳感功能的電源將所需的電壓精確地施加到負(fù)載 (圖5)。不管電源輸出的準(zhǔn)確度如何，如果沒有遠(yuǎn)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。電源會穩(wěn)定輸出端子上的電壓，要調(diào)節(jié)的電壓是DUT的電源輸入。電源和負(fù)載用引線分開，引線有一個內(nèi)阻Rlead。負(fù)載上的電壓是：

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

　　遠(yuǎn)程傳感技術(shù)使用感測線，通過把電源反饋環(huán)路延伸到負(fù)載來自動補償引線中的電壓降。負(fù)載電壓通過感測線把負(fù)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(shè)備工作在低電壓，因此用于為設(shè)備供電和測試的電源不會對設(shè)備帶來不利影響。劣質(zhì)電源產(chǎn)生的噪聲可能會在對被測設(shè)備應(yīng)用的3~4 V電壓范圍中占有明顯比重。

　　電源的另一個問題是快速物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備轉(zhuǎn)換。當(dāng)設(shè)備從睡眠模式或待機模式轉(zhuǎn)換到發(fā)送模式時，負(fù)載電流會在幾微秒中從幾毫安變成幾安，負(fù)載變化達(dá)到1000%。如此快速而巨大的負(fù)載變化會從幾個層次上給電源帶來問題：

　　? 在糾錯電路檢測新的負(fù)載電流，并調(diào)節(jié)電源以維持編程的輸出電壓時，會產(chǎn)生電壓降;

　　? 在電壓低時，設(shè)備測量可能會不正確;

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

　　為避免這些問題，電源應(yīng)能夠?qū)ω?fù)載變化快速做出響應(yīng)，理想情況下應(yīng)低于100 μs，即使在快速模式跳變期間也能實現(xiàn)穩(wěn)定輸出。在這種情況下，要特別注意技術(shù)數(shù)據(jù)表，瞬態(tài)響應(yīng)一般定義為當(dāng)負(fù)載變化50%時電源恢復(fù)到接近原始電壓所需的時間。這一定義是在無線物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品問世之前就確定好的，而無線物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的負(fù)載變化要明顯高得多。

　　8電池輸出

　　評估電池續(xù)航時間的方法之一是使用實際電池測試物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，確定器件保持供電的時間。然而，等待電池放電可能是耗時且延遲開發(fā)的工作。此外，這種測試方法不精確，具體測試條件難以復(fù)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(shè)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型的電池，以確定最適合設(shè)備的電源。在評估電池模擬功能時，不僅要能夠在整個放電周期內(nèi)動態(tài)建立模擬電池模型，還要能夠模擬電池的內(nèi)阻及對接近瞬時負(fù)載變化的最小電壓降(快速瞬態(tài)響應(yīng))(圖6)。

　　9進(jìn)行測試

　　毫無疑問，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計人員面臨著電池續(xù)航時間問題，必須克服與表征低功耗設(shè)備有關(guān)的挑戰(zhàn)。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(xù)時間短、上升時間快的波形，在更長的時間內(nèi)捕獲數(shù)據(jù)。為DUT提供干凈、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的電源是必須的。通過使用適當(dāng)?shù)墓ぞ吆图夹g(shù)，可以克服所有這些挑戰(zhàn)，最大限度地利用一切可利用的功率。