如何最大限度地延长便携式物联网设备的电池续航时间

[{"insert":"引言 \n物联网（IoT）目前正在经历爆发式增长。到 2020 年，物联网器件的数量将达到世界人口的三倍。物联网已被广泛应用到消费、医疗或工业领域。对于其中许多应用，如果物联网器件的电池无法达到预期的续航时间，则可能危及用户的生命。举例来说，如果用户需要频繁地为助听器充电，这会是一件麻烦事。植入式医疗器件必须能够持续使用许多年，如果无法达到宣称的预期电池续航时间，可能就会造成非常可怕的后果。在智慧城市或资产跟踪等应用中，电池续航时间的预期值同样很高。每个家庭中安装的智能电表，或者每个昂贵用品中内嵌的微型追踪器都需要较长的电池续航时间，因为大范围更换有故障或续航时间短的电池不会带来商业效益。有鉴于此，测量及预测器件电池续航时间的能力就变得越发关键。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/489508e8f5c338fc.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 1：Keysight KS833A1A 基于事件的功耗分析"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"• 通过基于事件的功耗分析，快速、轻松地检测设计缺陷 \n• 自动将器件的关键射频和非射频事件与消耗的功率相关联，以识别消耗最多电流的区域 \n• 通过自动测量和监测套件，简化电池续航时间的估算\n \n本应用指南介绍了如何使用 Keysight X8712A 物联网器件电池续航时间优化测试解决方案来快速检测设计缺陷，并预测物联网器件的电池续航时间。我们还将介绍如何对被测器件（DUT）进行非接触式信令控制，并将 DUT 放到各种操作模式下，来验证不同实际操作条件下的电池续航性能。 \nX8712A 解决方案包括一个软件套件，该套件简化了测量设置，允许用户轻松控制和设置仪器。用户可以轻松执行基于事件的功耗分析，并将射频/非射频事件与功耗相关联，以检测设计缺陷，并预测被测器件的电池续航时间。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/8aadf85a5bfa51cd.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 2：整体设置图"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#ff0000","bold":true},"insert":"测量准备工作 "},{"insert":"\n执行测量需要用到以下仪器、软件和附件：\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/27c58e47fba1572d.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/41f3039670f919ad.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 3：Keysight BLE 传感器标签演示套件"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#ff0000","bold":true},"insert":"测量配置 "},{"insert":"\n按图 4 所示连接 PC、仪器和附件。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/036a967a311d97d6.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 4：将德州仪器 BLE 传感器标签作为被测器件的连接图"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"1. 将两个或多个 N6781A SMU 安装到 N6705C 主机上。 \n2. 使用 GPIB、LAN 或 USB 电缆将 N6705C 连接到电脑上。 \n3. 将射频事件检测器连接到 N6705C 的通道 2。 \n4. 将射频电缆从屏蔽盒射频端口连接到射频事件检测器输入端口。 \n5. 被测器件连接：（请注意，此部分取决于被测器件和具体测量。以下过程专用于Keysight BLE 传感器标签演示套件，也可用于您的 BLE 器件）： \n— 如图 4 所示，将 BLE 传感器标签（DUT）上附带的 USB 电缆连接到屏蔽盒内部的 USB 端口。USB 电缆应穿过屏蔽盒中间的孔，然后连接到屏蔽盒内部的 USB端口。 \n— 用电缆套件将屏蔽盒的 USB 端口与 N6705C 的通道 1、通道 3 和通道 4 连接。注意：以上两个步骤将会完成以下配置： \n— 被测器件的电源线与 N6705C 的通道 1 相连。通道 1 配置为电池仿真器以便为被测器件供电。 \n— 被测器件内部的两个 LED 与 N6705C 的通道 3 和通道 4 相连。通道 3 和通道 4配置为电压表，用于测量 LED 的电源电压。 \n6. 接通 N6705C 的电源，检查 N6781A SMU 是否正确连接到了 N6705C 的前面板显示屏。 \n \n"},{"attributes":{"color":"#ff0000","bold":true},"insert":"软件准备工作 "},{"insert":"\n这些测量需要用到三款软件。 \n从是德科技网站下载并安装 Keysight IO 程序库套件和 Keysight KS8000A 测试自动化部署系统。请注意，KS8000A 需要许可证，您可以在 KS8000A 页面申请 30 天试用许可证。是德科技免费提供 IO 程序库套件的许可证。 \n从是德科技网站下载并安装 Keysight KS833A1A 基于事件的功耗分析软件。KS833A1A软件也需要许可证。 \n有关 X8712A 的详细安装步骤，请参阅《X8712A 用户指南》。\n注意：KS833A1A 软件无需连接仪器即可支持演示模式。您可以调用设置/数据文件来试试这个解决方案的分析功能。\n"},{"attributes":{"color":"#ff0000","bold":true},"insert":" "},{"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#ff0000","bold":true},"insert":"如何执行基于事件的功耗分析和电池续航时间测量 "},{"insert":"\nKeysight X8712A 可以执行基于射频和非射频事件的功耗分析，以便快速发现设计缺陷。通过基于事件的功耗分析，用户可以轻松获取每个关键子系统事件（例如射频、泵、传感器、报警、LED 活动）的电流消耗百分比，找出消耗电流最多、需要优化的事件。用户还可以轻松配置这个解决方案，用来测量物联网器件的整体电池续航时间。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/3d2a33e114c06926.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/6da60bb9238bf87b.png"}},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/ccc85d760daf8663.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/0b3ece95f6a9f4a2.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#ff0000","bold":true},"insert":"如何配置电流区域和触发设置来支持更准确的分析 "},{"insert":"\nX8712A 的关键功能之一是支持基于事件的功耗分析，帮助设计人员确定消耗最多电流的事件，从而让他们能够轻松发现设计缺陷。X8712A 中有两种类型的事件隔离，它们分别是以物理事件和电流事件为基础。\n什么是物理事件，什么是电流事件？\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/b132351c1aaf0072.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 5：物理事件和电流事件"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"物理事件 \nN6705C 的通道 2 到通道 4 采集的射频和 DC 信号波形被称为物理事件（例如：射频突发脉冲，电压或电流波形）。为了执行精确的基于事件的功耗分析，我们需要根据采集的信号电平设置这些事件的阈值。例如，在图 6 中，射频突发脉冲（绿色波形）约为 -10 至 -15 dBm，因此将“DUT Tx”的上、下阈值设置为“+10”和“-30 dBm”后，软件可以将此期间的同步电流消耗计算为“DUT Tx 事件期间消耗的电荷/电流百分比”。\n电流事件 \n电流事件是使用通道 1 的平均电流波形得出的其他非物理事件。通道 1 平均波形被平均划分为多个间隔相等的区域。用户可以根据波形驻留的区域应用正确的上、下阈值来隔离事件，例如待机、预处理、后处理或其他非物理事件。例如，待机模式电流始终位于 1 区，因此上、下阈值均应设置为 Z1（图 6）。 \n事件优先级 \n表格左侧的事件比右侧的事件具有更高的优先级。例如，与“MCU ”事件相比，“DUT Tx”事件具有更高的优先级。算 DUT TX 的电流消耗百分比，即使这些数据点也位于 MCU 事件的 5 区中。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/2db844a57e66cb8d.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 6：物理事件和电流事件的阈值设置"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"设置正确的上、下限阈值对于准确地执行基于事件的功耗分析非常重要。下面，我们将说明如何设置正确的阈值来启用基于事件的准确功耗分析。 \n我们还将说明如何利用触发设置来更灵活地捕获那些不频繁执行发送任务的器件的电流消耗情况（例如 LoRa® 器件），这些器件在数据包传输之间的休眠时间间隔比较长。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/3a27c21b57561c77.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/7a39fe7ef7e4c757.png"}},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/b8ddc55f8d5dcc40.png"}},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/57378a4a0efdd032.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#ff0000","bold":true},"insert":"如何执行器件的非接触式信令控制以验证实际的电池续航性能"},{"insert":" \nX8712A 解决方案可以支持对采用短程或远程无线制式的无线器件进行电流消耗分析和电池续航时间测量。X8712AD 射频事件检测器带有一个射频输出端口，该端口通过功率分配器连接到输入端口。用户可以直接将射频输出端口连接到配套装置上，也可以通过天线进行无线连接。通过此射频路径，配套装置能够与放置在屏蔽盒内部的被测器件通信。 \n图 2 所示为使用移动电话作为配套装置来进行通信并控制放置在屏蔽盒内用作被测器件的BLE 传感器标签。 \n借助这个解决方案，用户可以使用配套装置来远程控制被测器件，并将被测器件放到各种实际操作下来验证其实际电池续航时间。 \n \n测量准备工作： \n这项测量还需要以下内容。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/856ef646df4259b8.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"将带有电缆的 2.4 GHz 天线连接到 X8712AD 的射频输出端口\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/4af1acf988bba325.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 7：2.4 GHz 天线的连接图"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/e897146c576feba3.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/2bfb6eda87f6e495.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/e0b2374644688225.png"}},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#ff0000","bold":true},"insert":"总结"},{"insert":" \nKeysight X8712A 物联网器件电池续航时间优化解决方案是一款具有所有必要硬件和软件的集成解决方案，您可以用它来执行详细的电流消耗分析，快速、轻松地检测设计缺陷。X8712A 能以 20 us 的快速采样率呈现并采集从 nA 到 A 的宽范围内的详细电流消耗波形。凭借其基于事件的功耗分析功能，您现在可以轻松地关联器件电流消耗与子系统事件，例如射频开启，泵开启，振动器开启，显示开启等等，从而识别哪些事件消耗的电流最多，需要加以优化。清楚地了解关键的射频或非射频事件占用的时间以及每个事件消耗的电流量之后，您现在可以轻松地获得器件的预计电池续航时间。使用 X8712A可以将您的测试开发和测试时间从几个星期缩短至几天；在典型应用中，只需几分钟就可以采集、绘制和关联所有数据，了解器件的电流消耗特性。 \n \n——内容来源于是德科技"},{"attributes":{"align":"right"},"insert":"\n"},{"insert":"\n"}]