無線物聯網節點和可穿戴設備的功耗和電池的測試挑戰在哪里？EEWorldonline此次邀請了測試測量行業的巨頭，共同探討這一問題，其中包括：Keysight Technologies物聯網行業解決方案負責人Janet Ooi(JO)，泰克公司業務經理Shah Hassan(SH)和羅德施瓦茨行業，組件及細分市場經理Markus Herdin博士(MH)。

JS：測試無線物聯網節點和可穿戴設備的深度睡眠功耗的最大挑戰是什么？

是德科技IoT行業解決方案負責人Janet Ooi(JO)

JO：物聯網設備，即使是像單個無線傳感器節點一樣簡單的設備，也常常需要在更長的時間內(有時甚至超過十年)運行。有了用戶的這一要求和期望，無線物聯網設備就必須非常節能。大多數電池供電的IoT設備具有低功耗睡眠模式，該模式消耗的電源電流最小，通常小于1μA。但是，當設備處于活動模式時，可能需要10 mA以上的電流。用單次測量來測量如此寬的動態范圍的電流是一項挑戰。

當設計工程師由于存在較大的本底噪聲而使用鉗位電流探頭測量無線IoT節點和可穿戴設備的低電平電流時，這也是一個挑戰。使用分流電阻器和示波器非常有用。但是，由于本底噪聲和電阻兩端的壓降，最小的可測電流受到限制。

最后，帶寬有限也是一個挑戰。具有一定分辨率的低電平電流波形測量需要權衡帶寬。否則，寬帶測量可能會降低分辨率。萬用表或電流表通常用于高分辨率測量，但由于帶寬較低，因此不適用于高帶寬電流測量。

泰克公司業務經理Shah Hassan(SH)

SH：通常，對于監視睡眠和/或待機狀態，我們最感興趣的是電路設計的電流消耗特性。是的，隨著時間的流逝，電壓(相對于電池)會有一些變化，但是由于電路的電源負載很小，因此您看到明顯的電壓降的可能性要小得多。因此，重要的是，無論您使用哪種儀表，都能夠測量低電流并提供適當的量程縮放比例。

例如，用戶可能會認為將示波器與電流探頭一起使用。的確是可行的，但是要花多少錢？幾乎可以肯定會有足夠的帶寬，但是如果探頭僅提供1％的精度，那是否足夠好？源測量單元可以作為您的供應品，同時還可以使用較小的范圍和較高的精度進行測量。例如，電流源測量單元(SMU)可能會為您提供10 nA的低量程，分辨率為10 fA，精度為0.1％。您還可以選擇使用帶有電源的數字萬用表(DMM)。電源精度可能不一定那么重要，但DMM規格卻很重要。DMM是SMU的一種經濟高效的替代產品，在某些情況下，可以在需要的地方為您提供額外的分辨率。準確度可以用百萬分率(PPM)代替百分比。DMM解決方案可能在速度和帶寬方面都有優勢。

在SMU或DMM設置中要注意的一件事是負載電壓。如果內部測量電路上的電壓降過高，則存在被測設備發生功率下降的風險。在高電流消耗的情況下監視電路，這種情況更為常見，因為在給定范圍內，較高的電流測量范圍可能會使用較大的內部分流電阻。但是，如果所討論的儀表具有反饋電流表技術，則可以降低負載電壓。

測量的速度和類型也很重要。示波器和某些數字萬用表具有數字化選項，這些選項通常有助于更快地采樣和緊密一致的測量時間。數字化的替代方法是集成測量，由于組成測量的數據被平均并提供更高的準確性，因此集成測量往往會變慢。用戶應權衡自己的儀器選擇選項，以便他們獲得可以滿足其測量要求的最佳設備。

JS：在進行多級有源功率測試以優化無線IoT節點和可穿戴設備的系統時，設計人員需要注意哪些細微之處？

SH：他們需要意識到，物聯網/可穿戴系統的快速改變可能會干擾儀器。因此，他們需要考慮使用的DMM或SMU。

休眠和待機模式只是需要評估基于IoT的設計的一部分。正常操作和RF傳輸模式也是如此，這肯定是大部分功率消耗的地方。睡眠模式可能能夠長時間運行，并限制設備消耗高達數十微安的電流。相反，該設備的一般操作模式(雖然理想情況下不那么頻繁)將達到數十甚至上百毫安。RF發射/接收模式會消耗電流。無論這些常規模式和RF模式的使用頻率如何，它們所施加的負載將是消耗設備電池電量的最大因素。

當考慮到這些類型的轉換時，現在我們必須確保測量儀器也準備好應對這種情況。我們將要確保我們具有合適的上限范圍，并確保如果自動量程調整的速度不足以跟上步伐，則測量分辨率可以適應較大的電流轉換。您可以在儀器數據表或參考手冊中找到有關量程變化時序的信息。

JO：工程師基于用例和應用程序設計IoT設備，因此，他們必須充分了解IoT設備的運行狀況，這一點至關重要。例如，設備的最大功率水平，待機模式下的時間，數據發送，數據接收以及啟用和禁用外圍組件時的狀態。

設計人員還需要在多時鐘架構中實現他們的選擇——存儲器，微控制器單元(MCU)時鐘速度和固件編程。這些決策還將影響物聯網設備的電量消耗和系統優化。在設備中有如此多的子系統一起工作并以不同的電壓運行時，設計人員需要知道設備何時開始出現故障。例如，并非總是電池電量耗盡時。第一個子系統發生故障時，設備將發生故障。這就是為什么設計人員需要將IoT設備的關鍵RF或DC事件與功耗降低到子系統或事件級別之間的關系。在不同電源電壓下，基于事件的功率分析使設計工程師可以快速，直觀地了解設備行為和電源消耗。然后，他們可以實施策略以延長設備的使用壽命并評估這些策略的效果。

是德科技的CX3300A系列設備電流波形分析儀是針對電源軌，電源傳輸網絡和電源完整性挑戰的多合一測量和分析解決方案(圖片：Keysight)

JS：在處理無線物聯網節點和可穿戴設備中的電源系統時，您推薦哪種測試架構和方法作為最佳實踐？

SH：對于功耗分析，我們建議使用具有靈敏度和可視化功能的高分辨率1MS/s電流和電壓采樣，以捕獲所有設備狀態。我們還建議使用低噪聲，高質量的恒定電壓源。

JO：在無線物聯網節點和可穿戴設備中管理電源系統時，需要考慮幾個因素。設計人員必須在所有開發過程中進行廣泛的設計和測試，以確保設備滿足設計要求。

為了防止不必要的電流消耗，仔細測量表征設備的動態電流消耗至關重要。設計人員必須準確地測量低電流，并迅速切換到高電流測量，并且不會因量程變化而出現毛刺。通過正確的測量，電流消耗提供了一個窗口期，可用于獲得更多的深入了解，以優化電池運行時間。

了解IoT設備在實際條件下運行時如何耗費電量，對于優化電池壽命至關重要。將設備的電流消耗與特定的RF或DC事件相關聯(也稱為基于事件的功率分析)，可以更輕松地確定要優先處理和優化的子系統或事件。

除了物聯網設備的典型運行周期外，設計人員還應對應用程序功能進行壓力測試，以確定設備在現場的真實功能及其故障點。在室內測試設備以模擬變化的環境條件也很重要，因為電池在不同溫度水平下的性能可能不同。

R&S公司行業，組件和研究市場部經理Markus Herdin博士(MH)

MH：這在很大程度上取決于實際系統和測試需求。例如，如果正在使用LTE-M或NB-IoT設備，則必須模擬無線網絡，并監控和優化功耗。與無線通信測試儀(例如R&S CMW)一起使用是有意義的；配備R&S CMWrun排序器軟件，以控制所有功耗測試的運行，評估測試結果和報告；以及R&S RT-ZVC多通道功率探頭，適用于μA甚至nA范圍內的很小電流，而最高可達幾A。許多測試設備無法支持如此高的動態范圍。

為了調試IoT設備的嵌入式電子設備，R&S RTE或R&S RTO示波器與R&S RT-ZVC探頭的組合可提供多域調試，有效地將IoT設備的電信號與功耗相關聯，以優化電池壽命。

在必須將測試成本保持在最低水平的低成本應用中，需要具有強大的電源，以模擬電池性能(例如R&S NGM200)。它為IoT設備提供了清潔的電源，同時能夠模擬電池并測量電流消耗。借助高速FastLog功能，可在短至2微秒的間隔內對電壓和電流進行測量(采集速率高達每秒500K Samples)。

R&S RT-ZVC多通道功率探頭適用于μA甚至nA范圍內的非常小的電流，最大電流可達數安培(圖片：R&S)

JS：測量持續長時間但功耗非常低的挑戰與測量這些設備中短暫的高電流尖峰的挑戰相比如何？

JO：IoT設備在較低的電流水平下睡眠很長一段時間，以延長電池壽命。由于該過程必須經歷一系列操作周期，因此導致器件表征變得更長。除了測量極低的電流外，該儀器還需要記錄和分析大量數據，文件大小從數百GB到TB不等。如果采樣率太快，則總文件可能太大。

通電或主動傳輸時，IoT設備的電流將發生快速變化，從低到高的電流尖峰，例如浪涌電流。用于器件表征的儀器將需要準確地捕獲和測量動態電流變化，以驗證電路設計。浪涌電流具有高速特性，設計人員將需要具有高采樣率的儀器來準確捕獲這些快速信號。

為了克服這些挑戰，設計人員將需要一種能夠捕獲動態電流變化，具有高采樣率，存儲和回放存儲中的數據以進行分析的儀器。

SH：測量持續時間長但功耗非常低的挑戰是要捕獲多少數據并將其保存到儀器的內存中。用戶可能會選擇在很長的測試時間內將數據流傳輸到PC中。

另一方面，測量非常高的電流尖峰的挑戰將取決于儀器的電流范圍和捕獲這些快速尖峰的分辨率。

總結

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