【導(dǎo)讀】無線傳感器為監(jiān)測(cè)環(huán)境狀況或工業(yè)廠房及機(jī)器設(shè)備等應(yīng)用提供了出色的視野。由于它們很容易安裝，因此能夠部署在各種環(huán)境中。未來幾年，隨著“物聯(lián)網(wǎng)(IoT)”的廣泛部署，無線傳感器的應(yīng)用將呈現(xiàn)爆炸式增長。但是限制無線傳感器應(yīng)用的一個(gè)最重要的因素就是它們的續(xù)航能力非常有限。當(dāng)無線傳感器的工作完全依賴電池時(shí)，一旦電池耗盡電能，傳感器就變成了廢品。
如果您正在設(shè)計(jì)由電池供電的無線傳感器，要想確保它能夠工作一定的時(shí)間，需要解決無數(shù)的難題。通常的方法是只有在進(jìn)行必要的活動(dòng)時(shí)才用電，其他時(shí)候傳感器會(huì)進(jìn)入低功率使用模式。無線傳感器的工作可以分為一系列的活動(dòng)，每個(gè)活動(dòng)均要在一段時(shí)間內(nèi)消耗一定的電能。最常見的活動(dòng)包括：
●喚醒、測(cè)量，以及將數(shù)據(jù)處理成信息
●對(duì)射頻功率放大器加電，發(fā)送信息，再次對(duì)射頻功率放大器斷電
●在雙向傳感器(發(fā)送和接收)中：喚醒、對(duì)接收機(jī)加電、接收信號(hào)、處理數(shù)據(jù)，按照信息行動(dòng)，并再次斷電
顯而易見，有很多操作都會(huì)消耗電池的電能。
延長電池供電時(shí)間，最簡單的做法是使用更大的電池，具有更大容量的電池。不過，您的客戶可能希望傳感器體積小、性能高(以便它們能夠發(fā)送大量數(shù)據(jù)，并在本地?fù)碛兄悄?數(shù)據(jù)處理能力)。顯然，客戶的預(yù)期與解決電池供電時(shí)間短這個(gè)問題的最簡單方法完全背道而馳。
圖 1：無線傳感器在三種主要狀態(tài)下的電流電平。
工程師如何估計(jì)電池的供電時(shí)間呢？
作為一名設(shè)計(jì)工程師，您需要從全局考慮，找到電池體積與無線傳感器功能之間的平衡點(diǎn)，以便讓小電池既能發(fā)揮最佳性能，又能持續(xù)足夠長的時(shí)間。優(yōu)化過程首先需要了解能量需求。收集有關(guān)能量使用的數(shù)據(jù)是表征器件性能的第一步。
電池有一個(gè)預(yù)定義數(shù)量的能量(瓦時(shí)(Wh))和容量(安時(shí)(Ah))。如果您知道器件工作需要多大的功率，就能計(jì)算出電池的供電時(shí)間。
電池供電時(shí)間(小時(shí)) = 電池容量(Wh) / 平均放電功率(W)
電池的能量也是其額定電壓(V)與容量(Ah)的乘積。額定電壓是憑借經(jīng)驗(yàn)確定的電池放電曲線的中點(diǎn)值，可以正確關(guān)聯(lián)電池的能量與容量?；谶@個(gè)定義，電池的供電時(shí)間也可以用這個(gè)公式來確定：
電池供電時(shí)間(小時(shí)) = 電池容量(Ah) / 平均放電電流(A)
圖 2：Keysight N6781A SMU 能夠跨動(dòng)態(tài)電流電平進(jìn)行精確測(cè)量。
不過，當(dāng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)際工作時(shí)，電池供電時(shí)間通常短于您計(jì)算的結(jié)果。我們最常聽到的意見是：“這電池的質(zhì)量太差了！”一些大電池品牌通常會(huì)提供詳細(xì)的技術(shù)指標(biāo)，并解釋說在同一類型的電池之間，容量通常也會(huì)有5% 到10% 的差異。但是即使按照保守估計(jì)的電池容量，電池供電時(shí)間也往往達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。器件工作的時(shí)間長度比我們預(yù)計(jì)的短。為什么會(huì)這樣？我們估計(jì)的電量使用情況正確嗎？可能不正確。讓我們探索一下這個(gè)問題。
測(cè)量動(dòng)態(tài)電流消耗的復(fù)雜性
在無線傳感器等電池供電器件中，為了省電，器件的子電路僅在需要時(shí)才激活。工程師將器件設(shè)計(jì)為大多數(shù)時(shí)間都處于消耗電量最小的睡眠模式。在睡眠模式下，只有實(shí)時(shí)時(shí)鐘運(yùn)行。器件會(huì)定期喚醒以執(zhí)行測(cè)量。然后將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至接收節(jié)點(diǎn)。
不同的工作模式會(huì)導(dǎo)致電流消耗跨越從亞uA 到100mA 很寬的動(dòng)態(tài)范圍，其比值達(dá)到了1:1,000,000。
傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)及其局限性
要測(cè)量電流，眾所周知的方法便是使用萬用表的安培計(jì)功能。使用現(xiàn)代的數(shù)字萬用表好像可以獲得很好的電流測(cè)量精度，但其技術(shù)指標(biāo)是根據(jù)固定范圍和相對(duì)靜態(tài)的信號(hào)電平來確定的，由于無線傳感器具有動(dòng)態(tài)的電流消耗，并不是非常適合使用萬用表來測(cè)量。
圖3：數(shù)據(jù)記錄器：所有樣本均統(tǒng)一到連續(xù)的采樣周期中。無樣本丟失。對(duì)于每個(gè)采樣周期，還可提供最小值和最大值。
數(shù)字萬用表串聯(lián)在電池與器件之間來測(cè)量電流。由于傳感器的激活周期或發(fā)送模式的影響，我們會(huì)不時(shí)看到不穩(wěn)定的讀數(shù)。我們知道數(shù)字萬用表擁有多個(gè)量程，采用自動(dòng)量程能夠選擇最恰當(dāng)?shù)牧砍?，并能提供最佳精度。不過，數(shù)字萬用表也不是全是優(yōu)點(diǎn)。自動(dòng)量程需要時(shí)間來改變量程和穩(wěn)定測(cè)量結(jié)果。自動(dòng)量程時(shí)間通常為10ms 至100ms，長于傳輸或激活模式的時(shí)間。因此，用戶需要禁用自動(dòng)量程功能，手動(dòng)選擇最恰當(dāng)?shù)牧砍獭?/div>
【推薦閱讀】
數(shù)字萬用表的測(cè)量原理是通過在電路中插入一個(gè)分路器，然后測(cè)量這個(gè)分路器上的壓降。通常，要測(cè)量小電流，您可使用高電阻分路器并選擇低量程；要測(cè)量大電流，則使用低電阻分路器并選擇高量程。這個(gè)壓降也稱為負(fù)載電壓。由于這個(gè)壓降，并非所有電池電壓均能到達(dá)無線傳感器。低量程最精確，可以測(cè)量睡眠電流，但在電流峰值期間會(huì)承受一定的電壓，而這甚至可能造成器件重置。實(shí)際上，我們最終做出了妥協(xié)，使用大電流量程以確保器件在電流峰值時(shí)可以正常工作。這一妥協(xié)使我們可以處理峰值電流，也能測(cè)量睡眠電流，但代價(jià)也很大。由于偏置誤差是基于量程的滿標(biāo)度來規(guī)定的，它會(huì)嚴(yán)重影響低電流電平的測(cè)量結(jié)果。這個(gè)誤差可能是 100mA 量程的0.005%，也就是5μA，但對(duì)于10μA 來說就是50%，對(duì)于1μA 電流就是500%。器件在大多數(shù)時(shí)間都處于這個(gè)電流電平，因此這個(gè)誤差對(duì)于電池供電時(shí)間的估計(jì)有著巨大影響。
在測(cè)量完傳感器在睡眠模式下的低電流電平后，我們還必須測(cè)量激活脈沖和傳輸脈沖，包括電流電平，以及傳感器處于該電平上的時(shí)間。示波器是測(cè)量信號(hào)隨時(shí)間變化的卓越工具。不過，我們需要測(cè)量幾十mA 級(jí)的電平電流，電流探頭由于靈敏度有限和漂移問題，無法勝任這一任務(wù)。良好的鉗形探頭擁有2.5mArms的噪聲，常常需要重復(fù)執(zhí)行零位補(bǔ)償程序。電流探頭測(cè)量線路的電場(chǎng)，因此提高靈敏度的秘訣就是多次通過同一線路，從而將磁場(chǎng)增加好幾倍——進(jìn)而電流讀數(shù)也增加好幾倍，使我們可以更好一點(diǎn)測(cè)量電流。采用這種方法，我們可以捕獲激活時(shí)間和傳輸時(shí)間的電流脈沖。即使在激活和傳輸時(shí)間內(nèi)，電流也會(huì)改變電平：它就像一列由高低電平組成的脈沖串。為了正確計(jì)算平均電流，這個(gè)波形需要導(dǎo)出，所有測(cè)量點(diǎn)需要整合以獲得平均值。
圖4：200 多秒運(yùn)行時(shí)間的電流消耗記錄為觀察器件的動(dòng)態(tài)電流消耗提供了新視野。
示波器能夠很好地捕獲單個(gè)猝發(fā)。不過，如果想要驗(yàn)證傳感器在一段時(shí)間內(nèi)激活了多少次，多長時(shí)間發(fā)射一次TX猝發(fā)，測(cè)量將會(huì)更加復(fù)雜。示波器可在短時(shí)間內(nèi)輕松和出色地完成測(cè)量，但是傳感器擁有數(shù)分鐘或數(shù)小時(shí)的運(yùn)行周期，捕獲和測(cè)量起來更加復(fù)雜。
測(cè)量創(chuàng)新
用于電池耗電分析的Keysight N6781A電源/測(cè)量單元(SMU)通過兩大創(chuàng)新，克服了傳統(tǒng)測(cè)量方法的局限性：無縫電流量程和長期無間隔數(shù)據(jù)記錄。這個(gè)SMU模塊可與Keysight N6700小型模塊化電源系統(tǒng)或N6705直流電源分析儀結(jié)合使用。
無縫電流量程是一項(xiàng)專利技術(shù)，它可使SMU改變測(cè)量量程，同時(shí)輸出電壓保持穩(wěn)定，不會(huì)因?yàn)榱砍谈淖冊(cè)斐蓧航?。該特性使您能夠使用高電流量程來測(cè)量峰值，使用1mA FS量程(具有100nA 偏置誤差)測(cè)量睡眠電流。這個(gè)低偏置誤差(100nA偏置誤差對(duì)于1μA 為10%，對(duì)于10μA為1%)，數(shù)量級(jí)優(yōu)于傳統(tǒng)的數(shù)字萬用表。
無縫電流量程與兩個(gè)數(shù)字化儀相結(jié)合，能夠以200kSa/s(5us 時(shí)間分辨率)同步采樣率測(cè)量電壓和電流。采用全時(shí)分辨率，可以捕獲和顯示2秒鐘以上的數(shù)字化測(cè)量結(jié)果，分辨率越低，時(shí)間成比例增加。不過，在進(jìn)行長期測(cè)量時(shí)，Keysight N6705B 模塊化直流電源分析儀的內(nèi)置數(shù)據(jù)記錄器會(huì)在用戶規(guī)定的積分周期(20us至60秒)內(nèi)積分200kSa/s測(cè)量結(jié)果，而且不會(huì)丟失積分周期之間的任何樣本。
由于數(shù)據(jù)記錄器是無間隔的，所有樣本都會(huì)歸入某個(gè)積分周期或下一個(gè)積分周期------不會(huì)丟失任何樣本。通過數(shù)據(jù)記錄器，工程師們現(xiàn)在可以測(cè)量無線傳感器在長達(dá)1000小時(shí)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)的電流和能量消耗性能。
測(cè)量睡眠電流，只需要放置游標(biāo)，即可直接讀出測(cè)量讀數(shù)。圖4是單次采集一個(gè)長周期得到的測(cè)量結(jié)果；我們可以獲得完整的電流消耗圖，并精確測(cè)量出睡眠電流為599nA。
通過平移和縮放功能，我們能夠看到電流電平和每個(gè)功率電平的保持時(shí)間。使用傳統(tǒng)測(cè)量工具無法看到的細(xì)節(jié)現(xiàn)在能夠一覽無遺并進(jìn)行測(cè)量。圖4中使用“？？？”確定的后沿脈沖便是一個(gè)明顯示例。軟件揭開了這個(gè)令人意外的秘密：對(duì)于3.3μA的平均電流，器件在大約90μA峰值處消耗脈沖能量，持續(xù)時(shí)間為500ms。將這個(gè)電流消耗與599nA 睡眠電流相加，結(jié)果達(dá)到了730nA，這比我們預(yù)期的電流高22%。這種意外可能是造成我們低估能量要求，使電池供電時(shí)間短于預(yù)期的原因之一。
在優(yōu)化無線傳感器功耗時(shí)，了解這些詳細(xì)信息對(duì)于工程師非常有幫助。當(dāng)追求用戶體驗(yàn)與電池消耗之間的平衡，以及回答諸如“我應(yīng)該每秒、每 5 秒還是每10秒發(fā)送一次信息？”等問題時(shí)，了解發(fā)送一個(gè)信息包需要消耗多少能量非常重要。工程師們可以精確估計(jì)電池消耗對(duì)任何固化軟件變化的影響，并在合理時(shí)間內(nèi)通過實(shí)際測(cè)量進(jìn)行驗(yàn)證。
輕松進(jìn)行焦耳測(cè)量
焦耳在估計(jì)電池供電時(shí)間時(shí)非常有用，因?yàn)槊總€(gè)活動(dòng)都會(huì)消耗一定量的能量。我們也可以使用焦耳/發(fā)送比特來比較器件的性能。但是工程師們很少使用焦耳，因?yàn)樾枰褂秒妷?、電流和時(shí)間來計(jì)算它們。
利用Keysight 14585A控制和分析軟件，可以直接測(cè)量焦耳單位的能量。例如，您可以測(cè)量發(fā)射一個(gè)在觸發(fā)測(cè)量中捕獲的數(shù)據(jù)包需要消耗多少能量。這個(gè)優(yōu)勢(shì)來自于利用兩個(gè)數(shù)字化儀同時(shí)采樣電壓和電流，實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)功率測(cè)量。焦耳可以作為游標(biāo)之間的一個(gè)值輕松讀出，設(shè)計(jì)師甚至可以進(jìn)一步定義焦耳/發(fā)射比特。
【推薦閱讀】
