利用智能测试技术延长物联网设备电池续航时间

作者/Robert Green 泰克科技公司吉时利仪器产品线高级市场拓展经理

　　降低能耗和优化功率管理功能是物联网(IoT)开发人员关注的主要问题，但他们面临的挑战可能会形态各异。在可穿戴设备中，设计目标可能是把电池续航时间从几天延长到几周。对位置接触困难的传感器节点来说，目标则可能是把电池续航时间延长到几十年。

　　不管最终设计目标是什么，测试测量在确定设计修改或元器件选型是延长电池续航时间还是相反的过程中发挥着关键作用。尽管物联网设备使用的元器件正在稳步改进，其能够使用非常低的功率运行，但准确描述每个元件的能耗以及系统级的整体运行状况，对有效地利用可用能源仍具有至关重要的意义。

　　典型的物联网设备至少有一个传感器、一个处理器和一个无线电芯片，无线电芯片在不同的状态下工作，在几十纳秒中消耗从几百纳安到几百毫安的电流(图1)。表征低功耗设备不是一件小事，它可以保证设备一直位于约定的功率预算内。我们面临的挑战包括：准确地捕获很宽的电流动态范围，在测量期间捕获复杂快速的发送模式电流波形，以及确保为被测器件提供稳定准确的功率等。

　　图1 无线电芯片不同工作状态下电流状况

　　[图示内容：]

　　Microprocessor, Microcontroller (34 uW): 微处理器、微控制器(34 uW)

　　Antenna: 天线

　　Sensor (14 uW): 传感器(14 uW)

　　Power management (20uW): 功率管理(20uW)

　　Radio (12 uW): 无线电(12 uW)

　　Power budget: 80 uW: 功率预算：80 uW

　　Power source: 电源

　　Battery life: 6 months: 电源续航时间：6个月

　　1宽电流范围

　　对物联网应用，设备必须能够在不同的工作状态下高效运行，从深度睡眠到轻度使用，再到多任务处理以及密集处理。根据与不同的工作状态有关的模式数量，耗电量会立即从几百纳安跃升到几百毫安。

　　传统仪器可能会满足低端需求(如皮安表)或高端需求(如电流探头)，但其一般不能涵盖整个电流范围。重新配置仪器设置，甚至测试设置不仅容易出错，而且在实践中并不可行。

　　对大多数物联网应用来说，处理这么宽的动态范围，最好的方法是使用数字万用表(DMM)的自动量程功能。在理想情况下，最好能使用单一的配置设置，捕获很宽的电压和电流动态测量范围 (图2)。

　　图2 使用数字万用表单一配置捕获电压及电流动态测量范围

　　2深度睡眠电流

　　在许多物联网应用中，设备或传感器节点可能会在峰值活动周期之间有几个小时、几天，甚至几周保持空闲。视具体使用模式，降低睡眠模式功耗可以显著延长电池的整体使用寿命。

　　低功耗元器件及电源管理方面的新技术进展产生了大量的低功耗睡眠模式，在运行模式或空闲模式之外提供了更精细的级别，为限制功耗提供了更加完善的战略。这些模式如待机模式、瞌睡模式、睡眠模式和深度睡眠模式，会有不同的电流，通常从几十微安到最低几十纳安。图3是使用带有18位采样模数转换器(ADC)的数字万用表在100 μA范围内捕获的多电平空闲模式电流脉冲波形的实例。有些电流测量技术，比如使用带有电流探头的示波器，不能实现超低电流要求的灵敏度。在使用安培表时，低电流测量精度可能会受到各种误差来源的影响，如来自内部串联电阻的高达500 mV的负载电压，以及静电或压电效应生成的误差电流。

　　图3多电平空闲模式电流脉冲波形

　　在并联电流表或通用数字万用表DMM中，选择较小的并联电阻值可以降低输入时间常数，加快仪器的响应时间。但是，这会劣化信噪比，影响测量的精度和灵敏度。

　　更适合的选项是高分辨率的专用DMM，如7位半，其在检测纳安和更小的变化时实现了极高的灵敏度，并使用低压负载的反馈电流表测量技术。使用拥有大的读取缓冲器的DMM，对表征睡眠模式能耗也非常关键，大的读取缓冲器要能够存储几百万个带有时间标记的读数。这样您就可以在多个活动事件和空闲事件上，在更长的时间内查看设备或传感器节点操作。

　　3捕获瞬态信号和快速跳变信号

　　有源物联网器件操作通常由简单而零散但状态复杂的多种操作模式组成。例如，当设备从睡眠模式唤醒到活动模式时，通常要用几微秒的时间从睡眠模式转换到待机模式，然后再进入活动模式，而使用传统电流表通常很难捕获唤醒过程。

　　大多数电流表或基本数字万用表DMM都是读取速率较慢的直流仪器仪表。尽管许多DMM规定了电源线周期数(NPLC)，以指明捕获数据的窗口，但这个指标并不包括数据处理开销。总时间决定了仪器是否准备好下一次读取，快速瞬变可能会被丢到处理开销中。

　　采样率在确定仪器能够捕获的波形细节方面发挥着重要作用。采样率越快，重建被测原始波形的能力更好。根据内奎斯特或采样定理，信号采样率至少是最高频率分量的两倍，才能准确地重建信号，避免假信号(采样不足)。

　　图4 使用能够以1 M样点/秒同时采样电压和电流的高速采样DMM采样信号

　　但是，奈奎斯特只是底线，它只适用于正弦波，假设信号是连续的。对物联网设备操作中的快速瞬态信号，最高频率分量速率的两倍是不够的。某些DMM规定采样率为50 k样点/秒。但在50 k样点/秒或每个样点20 µs的情况下，可能会漏掉仅持续几十微秒的小的瞬态信号。因此，对物联网应用，最好使用能够以1 M样点/秒同时采样电压和电流的高速采样DMM (图4)。

　　4触发隔离特定事件

　　视不同的应用，物联网设备操作可能会涉及长时间间隔中极短的事件突发，或者包括多个事件的复杂状态操作。为分析这些细节，要求使用触发功能仔细检查复杂的扩展波形的具体部分。

　　传统电流测量仪器可能并不能隔离具体细节。对于更复杂的物联网应用，由于触发精度、触发时延、触发偏移和抖动等问题，面向波形的边沿触发或电平触发可能是不够的。微安级或更低的低电平波形会明显影响触发精度，具体取决于仪器中实现的触发采集方式。

　　通常来说，信号采集和触发采集位于不同的路径。触发精度依赖触发采集的灵敏度，如果仪器不能对触发事件精确做出反应，可能会导致触发问题。触发时延是感应到触发事件时与信号采集开始时之间的时间。触发时延长会导致不正确地指明触发事件发生时间，导致不能完全捕获要求的信号。

　　对更具挑战性的波形，高级触发选项非常实用，如脉宽宽度、逻辑触发、A-B顺序触发和同步外部触发。专用触发可以对特定条件做出反应，更简便地检测难检事件。

　　5更长时间的记录

　　如前所述，在长时间内进行功耗测试的监测设备操作有助于表征系统运行状态。您可能要仪器记录几秒、几小时，甚至几天的电流。大多数通用DMM没有配备足够的内部数据存储功能，某些专用电压和电流测量仪器可以存储最多256 k读数，在较高的采样率下很快就会出现容量饱和。

　　示波器是为考察极短、极复杂的活动而设计的，其采样速度可以达到每秒数百MS(百万样点)到每秒数GS(千兆样点)。由于一些波形的复杂性及示波器能够采集极高的样点数，示波器并不适合确定功率数据随时间变化的趋势。这种类型的分析更好地选择是配备大型内部数据缓冲器的DMM，在理想情况下还可以为外部设备或计算机的实时数据流提供支持。

　　6复杂的波形分析

　　功耗管理是物联网设计的中心，但深入分析可能会非常复杂，很容易出错，而且耗时很长。节省时间的途径之一是仪器可以根据设计要求自动计算波形。

　　在这类分析中，传统仪器的局限性一般会显露无遗。许多电流表只能采集电流读数。许多DMM只能存储一组电流或电压读数集。某些专用仪器可能会提供基本统计数据，比如最小值、最大值和平均值。结合使用示波器和电流探头是一个进步，另外还可以使用更加完美的数字计算工具，如RMS计算、占空比及其他数学运算。

　　图5 使用拥有远程传感功能的电源将所需的电压精确地施加到负载

　　[图示内容：]

　　Power supply: 电源

　　Output: 输出

　　Sense: 传感

　　Load: 负载

　　为了适应波形快速变化的特点，拥有图形显示功能的仪器有利于捕获物联网设备的运行，并提供立即“查看”设备运行的功能。通过测量“选通”等高级功能，您可以更迅速、更深入地了解物联网设备的运行，从而可以将测量值限定在允许额外控制的屏幕区域或光标上。

　　除示波器和电流探头外，最新的图形采样DMM也是这类应用的推荐之选。这些仪器可以同时捕获和显示设备运行，并对复杂的波形执行自动计算，缩短获得所需信息的时间。仪器应拥有直观快速的接口，能够对变化的事件迅速做出反应。

　　7供电电压

　　许多低功耗物联网设备通常在3~4 V的电压范围内工作。在电池放电周期中的某个时刻，由于电池输出电压不足以给设备供电而关机。为最大限度地延长产品的工作时间，必需准确地表征这种低压关机阈值。由于设备在窄电压范围内运行，因此为设备供电的电源必需有良好的精度，特别是对低压关机阈值来说尤其如此。

　　使用拥有远程传感功能的电源将所需的电压精确地施加到负载 (图5)。不管电源输出的准确度如何，如果没有远程传感功能，都不能保证编程电压等于被测器件(DUT)端子上的电压。电源会稳定输出端子上的电压，要调节的电压是DUT的电源输入。电源和负载用引线分开，引线有一个内阻Rlead。负载上的电压是：

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

　　远程传感技术使用感测线，通过把电源反馈环路延伸到负载来自动补偿引线中的电压降。负载电压通过感测线把负载上的电压反馈给电源，保证Vload = Vprogrammed。

　　另外注意，由于物联网设备工作在低电压，因此用于为设备供电和测试的电源不会对设备带来不利影响。劣质电源产生的噪声可能会在对被测设备应用的3~4 V电压范围中占有明显比重。

　　电源的另一个问题是快速物联网设备转换。当设备从睡眠模式或待机模式转换到发送模式时，负载电流会在几微秒中从几毫安变成几安，负载变化达到1000%。如此快速而巨大的负载变化会从几个层次上给电源带来问题：

　　• 在纠错电路检测新的负载电流，并调节电源以维持编程的输出电压时，会产生电压降;

　　• 在电压低时，设备测量可能会不正确;

　　• 如果电压低于设备低电量关闭阈值，且低于阈值足够长时间以使设备检测到低电平，器件将关机;

　　为避免这些问题，电源应能够对负载变化快速做出响应，理想情况下应低于100 µs，即使在快速模式跳变期间也能实现稳定输出。在这种情况下，要特别注意技术数据表，瞬态响应一般定义为当负载变化50%时电源恢复到接近原始电压所需的时间。这一定义是在无线物联网产品问世之前就确定好的，而无线物联网产品的负载变化要明显高得多。

　　8电池输出

　　评估电池续航时间的方法之一是使用实际电池测试物联网设备，确定器件保持供电的时间。然而，等待电池放电可能是耗时且延迟开发的工作。此外，这种测试方法不精确，具体测试条件难以复制。

　　图6 使用能模拟电池的电源进行模拟测试

　　更有效的方法是使用能模拟电池的电源，其可以在各种条件下进行设计测试，从完全电池充电到接近完全放电。您还可以仿真不同类型的电池，以确定最适合设备的电源。在评估电池模拟功能时，不仅要能够在整个放电周期内动态建立模拟电池模型，还要能够模拟电池的内阻及对接近瞬时负载变化的最小电压降(快速瞬态响应)(图6)。

　　9进行测试

　　毫无疑问，物联网设计人员面临着电池续航时间问题，必须克服与表征低功耗设备有关的挑战。他们必须能够分析最低10-9 A的睡眠模式电流，触发持续时间短、上升时间快的波形，在更长的时间内捕获数据。为DUT提供干净、稳定、准确的电源是必须的。通过使用适当的工具和技术，可以克服所有这些挑战，最大限度地利用一切可利用的功率。