2020年12月15日 | 无线物联网和可穿戴设备的低功耗电源测量挑战

无线物联网节点和可穿戴设备的功耗和电池的测试挑战在哪里？EEWorldonline此次邀请了测试测量行业的巨头，共同探讨这一问题，其中包括：Keysight Technologies物联网行业解决方案负责人Janet Ooi（JO），泰克公司业务经理Shah Hassan（SH）和罗德施瓦茨行业，组件及细分市场经理Markus Herdin博士（MH）。

JS：测试无线物联网节点和可穿戴设备的深度睡眠功耗的最大挑战是什么？

是德科技IoT行业解决方案负责人Janet Ooi（JO）

JO：物联网设备，即使是像单个无线传感器节点一样简单的设备，也常常需要在更长的时间内（有时甚至超过十年）运行。有了用户的这一要求和期望，无线物联网设备就必须非常节能。大多数电池供电的IoT设备具有低功耗睡眠模式，该模式消耗的电源电流最小，通常小于1μA。但是，当设备处于活动模式时，可能需要10 mA以上的电流。用单次测量来测量如此宽的动态范围的电流是一项挑战。

当设计工程师由于存在较大的本底噪声而使用钳位电流探头测量无线IoT节点和可穿戴设备的低电平电流时，这也是一个挑战。使用分流电阻器和示波器非常有用。但是，由于本底噪声和电阻两端的压降，最小的可测电流受到限制。

最后，带宽有限也是一个挑战。具有一定分辨率的低电平电流波形测量需要权衡带宽。否则，宽带测量可能会降低分辨率。万用表或电流表通常用于高分辨率测量，但由于带宽较低，因此不适用于高带宽电流测量。

泰克公司业务经理Shah Hassan（SH）

SH：通常，对于监视睡眠和/或待机状态，我们最感兴趣的是电路设计的电流消耗特性。是的，随着时间的流逝，电压（相对于电池）会有一些变化，但是由于电路的电源负载很小，因此您看到明显的电压降的可能性要小得多。因此，重要的是，无论您使用哪种仪表，都能够测量低电流并提供适当的量程缩放比例。

例如，用户可能会认为将示波器与电流探头一起使用。的确是可行的，但是要花多少钱？几乎可以肯定会有足够的带宽，但是如果探头仅提供1％的精度，那是否足够好？源测量单元可以作为您的供应品，同时还可以使用较小的范围和较高的精度进行测量。例如，电流源测量单元（SMU）可能会为您提供10 nA的低量程，分辨率为10 fA，精度为0.1％。您还可以选择使用带有电源的数字万用表（DMM）。电源精度可能不一定那么重要，但DMM规格却很重要。DMM是SMU的一种经济高效的替代产品，在某些情况下，可以在需要的地方为您提供额外的分辨率。准确度可以用百万分率（PPM）代替百分比。DMM解决方案可能在速度和带宽方面都有优势。

在SMU或DMM设置中要注意的一件事是负载电压。如果内部测量电路上的电压降过高，则存在被测设备发生功率下降的风险。在高电流消耗的情况下监视电路，这种情况更为常见，因为在给定范围内，较高的电流测量范围可能会使用较大的内部分流电阻。但是，如果所讨论的仪表具有反馈电流表技术，则可以降低负载电压。

测量的速度和类型也很重要。示波器和某些数字万用表具有数字化选项，这些选项通常有助于更快地采样和紧密一致的测量时间。数字化的替代方法是集成测量，由于组成测量的数据被平均并提供更高的准确性，因此集成测量往往会变慢。用户应权衡自己的仪器选择选项，以便他们获得可以满足其测量要求的最佳设备。

JS：在进行多级有源功率测试以优化无线IoT节点和可穿戴设备的系统时，设计人员需要注意哪些细微之处？

SH：他们需要意识到，物联网/可穿戴系统的快速改变可能会干扰仪器。因此，他们需要考虑使用的DMM或SMU。

休眠和待机模式只是需要评估基于IoT的设计的一部分。正常操作和RF传输模式也是如此，这肯定是大部分功率消耗的地方。睡眠模式可能能够长时间运行，并限制设备消耗高达数十微安的电流。相反，该设备的一般操作模式（虽然理想情况下不那么频繁）将达到数十甚至上百毫安。RF发射/接收模式会消耗电流。无论这些常规模式和RF模式的使用频率如何，它们所施加的负载将是消耗设备电池电量的最大因素。

当考虑到这些类型的转换时，现在我们必须确保测量仪器也准备好应对这种情况。我们将要确保我们具有合适的上限范围，并确保如果自动量程调整的速度不足以跟上步伐，则测量分辨率可以适应较大的电流转换。您可以在仪器数据表或参考手册中找到有关量程变化时序的信息。

JO：工程师基于用例和应用程序设计IoT设备，因此，他们必须充分了解IoT设备的运行状况，这一点至关重要。例如，设备的最大功率水平，待机模式下的时间，数据发送，数据接收以及启用和禁用外围组件时的状态。

设计人员还需要在多时钟架构中实现他们的选择——存储器，微控制器单元（MCU）时钟速度和固件编程。这些决策还将影响物联网设备的电量消耗和系统优化。在设备中有如此多的子系统一起工作并以不同的电压运行时，设计人员需要知道设备何时开始出现故障。例如，并非总是电池电量耗尽时。第一个子系统发生故障时，设备将发生故障。这就是为什么设计人员需要将IoT设备的关键RF或DC事件与功耗降低到子系统或事件级别之间的关系。在不同电源电压下，基于事件的功率分析使设计工程师可以快速，直观地了解设备行为和电源消耗。然后，他们可以实施策略以延长设备的使用寿命并评估这些策略的效果。

是德科技的CX3300A系列设备电流波形分析仪是针对电源轨，电源传输网络和电源完整性挑战的多合一测量和分析解决方案（图片：Keysight）

JS：在处理无线物联网节点和可穿戴设备中的电源系统时，您推荐哪种测试架构和方法作为最佳实践？

SH：对于功耗分析，我们建议使用具有灵敏度和可视化功能的高分辨率1MS/s电流和电压采样，以捕获所有设备状态。我们还建议使用低噪声，高质量的恒定电压源。

JO：在无线物联网节点和可穿戴设备中管理电源系统时，需要考虑几个因素。设计人员必须在所有开发过程中进行广泛的设计和测试，以确保设备满足设计要求。

为了防止不必要的电流消耗，仔细测量表征设备的动态电流消耗至关重要。设计人员必须准确地测量低电流，并迅速切换到高电流测量，并且不会因量程变化而出现毛刺。通过正确的测量，电流消耗提供了一个窗口期，可用于获得更多的深入了解，以优化电池运行时间。

了解IoT设备在实际条件下运行时如何耗费电量，对于优化电池寿命至关重要。将设备的电流消耗与特定的RF或DC事件相关联（也称为基于事件的功率分析），可以更轻松地确定要优先处理和优化的子系统或事件。

除了物联网设备的典型运行周期外，设计人员还应对应用程序功能进行压力测试，以确定设备在现场的真实功能及其故障点。在室内测试设备以模拟变化的环境条件也很重要，因为电池在不同温度水平下的性能可能不同。

R&S公司行业，组件和研究市场部经理Markus Herdin博士（MH）

MH：这在很大程度上取决于实际系统和测试需求。例如，如果正在使用LTE-M或NB-IoT设备，则必须模拟无线网络，并监控和优化功耗。与无线通信测试仪（例如R&S CMW）一起使用是有意义的；配备R&S CMWrun排序器软件，以控制所有功耗测试的运行，评估测试结果和报告；以及R&S RT-ZVC多通道功率探头，适用于μA甚至nA范围内的很小电流，而最高可达几A。许多测试设备无法支持如此高的动态范围。

为了调试IoT设备的嵌入式电子设备，R&S RTE或R&S RTO示波器与R&S RT-ZVC探头的组合可提供多域调试，有效地将IoT设备的电信号与功耗相关联，以优化电池寿命。

在必须将测试成本保持在最低水平的低成本应用中，需要具有强大的电源，以模拟电池性能（例如R&S NGM200）。它为IoT设备提供了清洁的电源，同时能够模拟电池并测量电流消耗。借助高速FastLog功能，可在短至2微秒的间隔内对电压和电流进行测量（采集速率高达每秒500K Samples）。

R&S RT-ZVC多通道功率探头适用于μA甚至nA范围内的非常小的电流，最大电流可达数安培（图片：R&S）

JS：测量持续长时间但功耗非常低的挑战与测量这些设备中短暂的高电流尖峰的挑战相比如何？

JO：IoT设备在较低的电流水平下睡眠很长一段时间，以延长电池寿命。由于该过程必须经历一系列操作周期，因此导致器件表征变得更长。除了测量极低的电流外，该仪器还需要记录和分析大量数据，文件大小从数百GB到TB不等。如果采样率太快，则总文件可能太大。

通电或主动传输时，IoT设备的电流将发生快速变化，从低到高的电流尖峰，例如浪涌电流。用于器件表征的仪器将需要准确地捕获和测量动态电流变化，以验证电路设计。浪涌电流具有高速特性，设计人员将需要具有高采样率的仪器来准确捕获这些快速信号。

为了克服这些挑战，设计人员将需要一种能够捕获动态电流变化，具有高采样率，存储和回放存储中的数据以进行分析的仪器。

SH：测量持续时间长但功耗非常低的挑战是要捕获多少数据并将其保存到仪器的内存中。用户可能会选择在很长的测试时间内将数据流传输到PC中。

另一方面，测量非常高的电流尖峰的挑战将取决于仪器的电流范围和捕获这些快速尖峰的分辨率。