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技術文章:如何在低功耗時代正確測量無線通訊模塊功耗?

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年11月07日  

低功耗,是萬物互聯中極為重要的一個概念,絕大多數的物聯網節點都需要使用電池供電,而只有正確測量無線模塊的功耗,才能準確估算到底5年續航需要使用多大的電池,本文將為您講解詳細的測量方法。


在物聯網的很多應用中,終端設備通常是電池供電,可用的電量有限。由于電池存在自放電,最差情況下實際使用電量只有標稱電量的70%左右,如常用的CR2032紐扣電池,一節電池標稱容量為200mAh,實際可能只有140mAh可以使用。


既然電池的電量如此有限,那么降低產品功耗就顯得很重要了!下面就先了解下常用的測量功耗的手段,只有清楚了這些測量功耗的方法,才能進行產品功耗優化。


一、功耗測量


無線模塊的功耗測試主要在測量電流,這里又分為靜態電流與動態電流兩種不同的測試。在模塊處于休眠或者待機狀態時,由于電流不變化,保持一個靜止的數值,我們稱之為靜態電流。這時候我們可以采用傳統的萬用表來進行測量,只需要在電源引腳串聯一個萬用表就可以得到所需要測量的數值,如圖1所示。


圖1萬用表測試


在測量模塊正常工作模式的發射電流時,由于信號發射所需要的時間很短,整個電流是處于變化狀態,我們稱之為動態電流。萬用表響應時間比較慢,很難捕捉到變化的電流,所以不能使用萬用表測量,對于變化電流,需要使用示波器和電流探頭進行測量,測量結果如下圖2。


圖2電流探頭測量結果圖


二、電池使用時長計算


無線模塊常有兩種工作模式,工作模式和休眠模式,如下圖3所示。


圖3平均電流


上文數據來源于我司LM400TU產品,按照上圖所示,兩個發送包之間的發送間隔為1000ms,計算平均電流:


也就是說,1秒內平均電流大約為2.4mA,如果使用一節CR2032供電,理想情況下可以大約使用83個小時,約3.5天。如果我們將工作時長延長為1個小時呢?類似的,可以通過上面的公式算出,1小時的平均電流僅為1.67uA。同樣一節CR2032電池可以支持設備工作119760小時,約13年!從上述這兩個例子比較看出,增加發送包之間的時間間隔,延長休眠時間,可以降低整機的功耗,使得設備能夠更長久的工作。這也是為什么無線抄表行業的產品普遍使用年限很長,因為它們每天只發送一次數據。


三、常見功耗問題與原因


為了保證產品的低功耗,除了增加包間隔時間,還有就是降低產品本身的電流消耗,也就是上面提及到的Iwork和ISleep。正常情況下,這兩個數值應該跟芯片數據手冊一致,但如果用戶使用不當,有可能出現問題。我們在測試模塊的發射電流時,發現是否安裝天線對測試結果有很大影響。在帶天線測量的時候,某產品電流為120mA,但是如果擰掉天線,測試電流飆升到近150mA。這種情況下的功耗異常主要是由模塊射頻端失配,引起內部pA工作異常導致的。因此,我們建議客戶在評估無線模塊的時候,務必帶載測試。


在前面的計算中,當發送間隔越來越長,工作電流占空比降越來越小,這時影響整機功耗的最大的因素就是ISleep。ISleep越小,產品續航時間也就越長了。這個數值一般都是與芯片數據手冊接近,但是我們經常遇到客戶反饋測試的休眠電流偏大,那是為什么呢?


這個問題往往是由MCU的配置引起的,一般的MCU單個IO口功耗就能達到mA級別。換句話說,如果不小心漏掉或者錯配一個IO口的狀態,很有可能就將破壞前期的低功耗設計。下面以某產品為例進行一個小實驗,看看這個問題影響有多大。


圖4產品A的低功耗IO配置測試結果


圖5產品A的IO配置不當測試結果


在圖4和圖5的測試過程中,測試對象是同一個產品,同樣配置為模塊休眠模式,可以很明顯看到測試結果的不同。在圖4中,所有IO都配置為輸入下拉或者上拉,測試出來的電流僅為4.9uA,而圖5中,僅僅把其中兩個IO配置為浮空輸入,測試結果為86.1uA。


如果保持圖3的工作電流和時長不變,發送間隔為1個小時,帶入不同的休眠電流計算。按照圖4的結果計算,一個小時的平均電流為5.57uA,而按照圖5則為86.77uA,相差約16倍。同樣使用一節200mAh的CR2032電池供電,產品按照圖4的配置,可以正常工作時間約為4年,而按照圖5配置,這個結果僅為3個月左右!


從上文實例可以看出,要盡可能延長無線模塊的使用時長需遵循以下設計原則:


1、在滿足客戶應用需求的條件下,盡可能的延長發送包間隔,降低工作周期內的工作電流;


2、一定要正確的配置MCU的IO狀態,不同廠家的MCU可能有不同配置,詳細參考官方的資料。


LM400TU是ZLG致遠電子研發設計的一款低功耗LoRa核心模塊,模塊采用源自特種通信系統的LoRa調制技術設計,結合獨有的頻譜擴寬處理技術,完美解決了小數據量在復雜環境中的超遠距離通信問題。LoRa組網透傳模塊內嵌自組網透明傳輸協議,支持用戶一鍵自組網,并且提供專用抄表協議、CLAA協議以及LoRaWAN協議,用戶無需在協議上花費大量時間,即可直接開發應用。


圖6LoRa核心模塊


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