测量无线物联网和可穿戴设备低功耗的挑战
无线物联网节点和可穿戴设备的功耗和电池测试挑战在哪里？ EEWorldonline邀请测试和测量行业的巨头共同讨论此问题，其中包括：Janet Ooi（JO），是德科技IoT行业解决方案负责人自动测量设备，泰克业务经理Shah Hassan（SH）和Rohde Schwarz Markus Herdin博士（MH），行业，组件和细分市场经理。
JS：测试无线物联网节点和可穿戴设备的深度睡眠功耗最大的挑战是什么？
是德科技IoT行业解决方案负责人Janet Ooi（JO）
JO：物联网设备，甚至是像单个无线传感器节点这样简单的设备，通常也需要运行更长的时间（有时甚至超过十年）。根据该用户的要求和期望，无线物联网设备必须非常节能。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少，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。单次测量以如此宽的动态范围测量电流是一个挑战。
当设计工程师使用钳位电流探头来测量无线IoT节点和可穿戴设备的低电流时，这也是一个挑战，因为本底噪声很大。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电压降，最小可测量电流受到限制。
最后，有限的带宽也是一个挑战。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，但由于其带宽较低，因此不适合用于高带宽电流测量。
泰克业务经理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，但是由于电路的功率负载非常小，因此看到明显的电压降的可能性大大降低。因此，重要的是，无论使用哪种仪器，它都可以测量低电流并提供适当的量程比例。
例如，用户可能会想到将示波器与电流探头一起使用。确实可行，但是要花多少钱？几乎肯定会有足够的带宽，但是如果探头仅提供1％的精度，是否足够好？可以使用源测量单位作为电源，同时可以使用较小的量程和较高的测量精度。例如，电流源测量单元（SMU）可以为您提供10 nA的低量程，分辨率为10 fA，0.1％的精度。您也可以选择使用带电源的数字万用表（DMM）。功率精度可能不一定那么重要，但是DMM规格非常重要。 DMM是SMU的一种经济高效的替代产品。在某些情况下，它可以在需要时为您提供其他解决方案。精度可以使用百万分率（PPM）而不是百分比。 DMM解决方案在速度和带宽方面可能具有优势。
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，则存在被测设备功率下降的风险。在高电流消耗的情况下监视电路更为常见，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并联电阻。但是，如果所涉及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。示波器和一些数字万用表具有数字化选项，通常可以帮助加快采样速度和保持一致的测量时间。数字化的替代方法是集成测量。由于构成测量的数据被平均并提供更高的精度，因此集成测量趋向于减慢速度。用户应权衡自己的仪器选择选项，以便获得可以满足其测量要求的最佳设备。
JS：在进行多级有功功率测试以优化无线物联网节点和可穿戴设备的系统时，设计人员应注意哪些细微差别？
SH：他们需要意识到IoT /可穿戴系统的快速变化可能会干扰仪器。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，这肯定是消耗大部分功率的地方。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（尽管在理想情况下不是很频繁）将达到几十甚至几百毫安。 RF发送/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。
在考虑这些转换类型时，现在我们必须确保测量仪器也准备好应对这种情况。我们将要确保有合适的上限范围，并且如果自动范围调节的速度不足以跟上，则测量分辨率可以适应更大的电流转换。您可以在仪器数据表或参考手册中找到有关量程变化时间的信息。
JO：工程师根据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，这一点非常重要。例如，设备的最大功率，待机模式下的时间，数据发送，接收的状态以及外围组件的启用和禁用。
设计人员还需要在多时钟架构内存，微控制器单元（MCU）时钟速度和固件编程中实现他们的选择。这些决定还将影响物联网设备的功耗和系统优化。当设备中有太多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，并非总是在电池电量耗尽时。当第一个子系统发生故障时自动测量设备，设备将发生故障。这就是为什么设计人员需要将关键的RF或DC事件与IoT设备的功耗降低到子系统或事件级别之间的关系。在不同的电源电压下，基于事件的功率分析使设计工程师能够快速而直观地了解设备行为和功耗。然后他们可以实施延长设备寿命的策略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，输电网络和电源完整性挑战的多合一测量和分析解决方案（照片：是德科技）
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是最佳做法？
SH：对于功率分析，我们建议使用具有灵敏度和可视化功能的高分辨率1MS / s电流和电压采样来捕获所有设备状态。我们还建议使用低噪声，高质量的恒定电压源。
JO：在管理无线物联网节点和可穿戴设备中的电源系统时，需要考虑多个因素。设计人员必须在所有开发过程中进行广泛的设计和测试，以确保设备符合设计要求。
为了防止不必要的电流消耗，重要的是仔细测量表征装置的动态电流消耗。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，而不会因量程变化而引起毛刺。通过正确的测量，电流消耗将提供一个窗口期，可用于获得更深入的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消耗功率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（也称为基于事件的功率分析）相关联，可以更轻松地确定要优先处理和优化哪些子系统或事件。
除了物联网设备的典型运行周期外，设计人员还应该对应用程序功能进行压力测试，以确定设备的真实功能和故障点。在室内测试设备以模拟不断变化的环境条件也很重要，因为在不同的温度水平下电池的性能可能会有所不同。
博士R＆S公司行业，组件和研究营销经理Markus Herdin（MH）
MH：这在很大程度上取决于实际的系统和测试要求。例如，如果您使用的是LTE-M或NB-IoT设备，则必须模拟无线网络并监视和优化功耗。与无线通信测试仪（例如R＆S CMW）一起使用非常有意义。配备R＆S CMWrun定序器软件，以控制所有功耗测试的运行，评估测试结果和报告；和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，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探头的组合可以提供多域调试，从而有效地将IoT设备的电信号与功耗相关联以进行优化电池寿命。
在必须将测试成本保持在最低水平的低成本应用中，需要强大的电源来模拟电池性能（例如R＆S NGM200）。它为IoT设备提供了干净的电源，同时还能够模拟电池并测量电流消耗，借助高速FastLog功能，可以在短至2微秒的间隔内测量电压和电流（每秒采集速率高达500K个样本）。
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，最大电流可以达到几安培（图片：R＆S）
JS：在这些器件中测量持久但非常低的功耗的挑战与测量短时大电流尖峰的挑战相比如何？
JO：IoT设备在较低电流水平下可长时间睡眠，以延长电池寿命。由于此过程必须经历一系列操作周期，因此器件的表征时间会更长。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，文件大小范围从数百GB到TB。如果采样率太快，则文件总数可能太大。
在通电或主动传输时，IoT设备的电流将快速变化，从低电流尖峰到高电流尖峰（例如浪涌电流）变化。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方法来以高采样率捕获动态电流变化，
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