如何估計無線傳感器電池供電時間?
發(fā)布時間:2020-01-14 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】無線傳感器為監(jiān)測環(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。
無線傳感器為監(jiān)測環(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,一旦電池耗盡電能,傳感器就變成了廢品。
如果您正在設(shè)計由電池供電的無線傳感器,要想確保它能夠工作一定的時間,需要解決無數(shù)的難題。通常的方法是只有在進(jìn)行必要的活動時才用電,其他時候傳感器會進(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,每個活動均要在一段時間內(nèi)消耗一定的電能。最常見的活動包括:
●喚醒、測量,以及將數(shù)據(jù)處理成信息
●對射頻功率放大器加電,發(fā)送信息,再次對射頻功率放大器斷電
●在雙向傳感器(發(fā)送和接收)中:喚醒、對接收機(jī)加電、接收信號、處理數(shù)據(jù),按照信息行動,并再次斷電
顯而易見,有很多操作都會消耗電池的電能。
延長電池供電時間,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間短這個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。
工程師如何估計電池的供電時間呢?
作為一名設(shè)計工程師,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,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。
電池有一個預(yù)定義數(shù)量的能量(瓦時(Wh))和容量(安時(Ah))。如果您知道器件工作需要多大的功率,就能計算出電池的供電時間。
電池供電時間(小時) = 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)驗確定的電池放電曲線的中點值,可以正確關(guān)聯(lián)電池的能量與容量?;谶@個定義,電池的供電時間也可以用這個公式來確定:
電池供電時間(小時) = 電池容量(Ah) / 平均放電電流(A)
圖 2:Keysight N6781A SMU 能夠跨動態(tài)電流電平進(jìn)行精確測量。
不過,當(dāng)設(shè)備進(jìn)行實際工作時,電池供電時間通常短于您計算的結(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,容量通常也會有 5% 到 10% 的差異。但是即使按照保守估計的電池容量,電池供電時間也往往達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。器件工作的時間長度比我們預(yù)計的短。為什么會這樣?我們估計的電量使用情況正確嗎?可能不正確。讓我們探索一下這個問題。
測量動態(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才激活。工程師將器件設(shè)計為大多數(shù)時間都處于消耗電量最小的睡眠模式。在睡眠模式下,只有實時時鐘運行。器件會定期喚醒以執(zhí)行測量。然后將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至接收節(jié)點。
不同的工作模式會導(dǎo)致電流消耗跨越從亞 uA 到 100mA 很寬的動態(tài)范圍,其比值達(dá)到了 1:1,000,000。
傳統(tǒng)的測量技術(shù)及其局限性
要測量電流,眾所周知的方法便是使用萬用表的安培計功能。使用現(xiàn)代的數(shù)字萬用表好像可以獲得很好的電流測量精度,但其技術(shù)指標(biāo)是根據(jù)固定范圍和相對靜態(tài)的信號電平來確定的,由于無線傳感器具有動態(tài)的電流消耗,并不是非常適合使用萬用表來測量。
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。對于每個采樣周期,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,我們會不時看到不穩(wěn)定的讀數(shù)。我們知道數(shù)字萬用表擁有多個量程,采用自動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。自動量程需要時間來改變量程和穩(wěn)定測量結(jié)果。自動量程時間通常為 10ms 至 100ms,長于傳輸或激活模式的時間。因此,用戶需要禁用自動量程功能,手動選擇最恰當(dāng)?shù)牧砍獭?nbsp;
數(shù)字萬用表的測量原理是通過在電路中插入一個分路器,然后測量這個分路器上的壓降。通常,要測量小電流,您可使用高電阻分路器并選擇低量程;要測量大電流,則使用低電阻分路器并選擇高量程。這個壓降也稱為負(fù)載電壓。由于這個壓降,并非所有電池電壓均能到達(dá)無線傳感器。低量程最精確,可以測量睡眠電流,但在電流峰值期間會承受一定的電壓,而這甚至可能造成器件重置。實際上,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,也能測量睡眠電流,但代價也很大。由于偏置誤差是基于量程的滿標(biāo)度來規(guī)定的,它會嚴(yán)重影響低電流電平的測量結(jié)果。這個誤差可能是 100mA 量程的 0.005%,也就是 5μA,但對于 10μA 來說就是 50%,對于 1μA 電流就是 500%。器件在大多數(shù)時間都處于這個電流電平,因此這個誤差對于電池供電時間的估計有著巨大影響。
在測量完傳感器在睡眠模式下的低電流電平后,我們還必須測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間。示波器是測量信號隨時間變化的卓越工具。不過,我們需要測量幾十 mA 級的電平電流,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。電流探頭測量線路的電場,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測量電流。采用這種方法,我們可以捕獲激活時間和傳輸時間的電流脈沖。即使在激活和傳輸時間內(nèi),電流也會改變電平:它就像一列由高低電平組成的脈沖串。為了正確計算平均電流,這個波形需要導(dǎo)出,所有測量點需要整合以獲得平均值。
圖 4:200 多秒運行時間的電流消耗記錄為觀察器件的動態(tài)電流消耗提供了新視野。
示波器能夠很好地捕獲單個猝發(fā)。不過,如果想要驗證傳感器在一段時間內(nèi)激活了多少次,多長時間發(fā)射一次 TX 猝發(fā),測量將會更加復(fù)雜。示波器可在短時間內(nèi)輕松和出色地完成測量,但是傳感器擁有數(shù)分鐘或數(shù)小時的運行周期,捕獲和測量起來更加復(fù)雜。
測量創(chuàng)新
用于電池耗電分析的 Keysight N6781A 電源 / 測量單元(SMU)通過兩大創(chuàng)新,克服了傳統(tǒng)測量方法的局限性:無縫電流量程和長期無間隔數(shù)據(jù)記錄。這個 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專利技術(shù),它可使 SMU 改變測量量程,同時輸出電壓保持穩(wěn)定,不會因為量程改變造成壓降。該特性使您能夠使用高電流量程來測量峰值,使用 1mA FS 量程(具有 100nA 偏置誤差)測量睡眠電流。這個低偏置誤差(100nA 偏置誤差對于 1μA 為 10%,對于 10μA 為 1%),數(shù)量級優(yōu)于傳統(tǒng)的數(shù)字萬用表。
無縫電流量程與兩個數(shù)字化儀相結(jié)合,能夠以 200kSa/s(5us 時間分辨率)同步采樣率測量電壓和電流。采用全時分辨率,可以捕獲和顯示 2 秒鐘以上的數(shù)字化測量結(jié)果,分辨率越低,時間成比例增加。不過,在進(jìn)行長期測量時,Keysight N6705B 模塊化直流電源分析儀的內(nèi)置數(shù)據(jù)記錄器會在用戶規(guī)定的積分周期(20us 至 60 秒)內(nèi)積分 200kSa/s 測量結(jié)果,而且不會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,所有樣本都會歸入某個積分周期或下一個積分周期 ------ 不會丟失任何樣本。通過數(shù)據(jù)記錄器,工程師們現(xiàn)在可以測量無線傳感器在長達(dá) 1000 小時運行時間內(nèi)的電流和能量消耗性能。
測量睡眠電流,只需要放置游標(biāo),即可直接讀出測量讀數(shù)。圖 4 是單次采集一個長周期得到的測量結(jié)果;我們可以獲得完整的電流消耗圖,并精確測量出睡眠電流為 599nA。
通過平移和縮放功能,我們能夠看到電流電平和每個功率電平的保持時間。使用傳統(tǒng)測量工具無法看到的細(xì)節(jié)現(xiàn)在能夠一覽無遺并進(jìn)行測量。圖 4 中使用“???”確定的后沿脈沖便是一個明顯示例。軟件揭開了這個令人意外的秘密:對于 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)時間為 500ms。將這個電流消耗與 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,使電池供電時間短于預(yù)期的原因之一。
在優(yōu)化無線傳感器功耗時,了解這些詳細(xì)信息對于工程師非常有幫助。當(dāng)追求用戶體驗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,了解發(fā)送一個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電池消耗對任何固化軟件變化的影響,并在合理時間內(nèi)通過實際測量進(jìn)行驗證。
輕松進(jìn)行焦耳測量
焦耳在估計電池供電時間時非常有用,因為每個活動都會消耗一定量的能量。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,因為需要使用電壓、電流和時間來計算它們。
利用 Keysight 14585A 控制和分析軟件,可以直接測量焦耳單位的能量。例如,您可以測量發(fā)射一個在觸發(fā)測量中捕獲的數(shù)據(jù)包需要消耗多少能量。這個優(yōu)勢來自于利用兩個數(shù)字化儀同時采樣電壓和電流,實現(xiàn)逐點功率測量。焦耳可以作為游標(biāo)之間的一個值輕松讀出,設(shè)計師甚至可以進(jìn)一步定義焦耳 / 發(fā)射比特。
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