如何正确测量低功耗的通讯模块的功耗?

2020-09-02 17:30 ryder

低功耗对万物互联非常重要,物联网节点基本都需要使用电池供电,我们需要正确测量无线模块的功耗,准确估算到底需要使用多大的电池,锂电池生产厂家来讲解详细的测量方法。

在物联网的很多应用中,可用的电量有限。电池存在一定的自放电情况,最差情况下实际使用电量只有标称电量的70%左右,如CR2032纽扣电池,标称容量为200mAh,实际只有140mAh可以使用。这是一个极为正常的现象。

既然电池的电量如此有限,所以在设计产品时尽量使用低功耗的方案,降低产品功耗就显得极为重要!我们先了解下常用测量功耗的手段,清楚了这些测量功耗的方法,才能进行产品功耗优化。

一、功耗测量

无线模块的功耗测试主要在测量静态电流与动态电流两种测试。在模块处于休眠或者待机状态时,由于电流不变化,保持一个静止的数值,我们称之为静态电流。这时候我们可以采用传统的万用表来进行测量,只需要在电源引脚串联一个万用表就可以得到所需要测量的数值,如图 1所示。

 

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图 1 万用表测试

 

在测量模块正常工作时的发射电流时,整个电流是处于变化状态,我们称之为动态电流。万用表响应时间比较慢,很难捕捉到变化的电流,所以不能使用万用表测量,这时我们就需要使用示波器和电流探头进行测量,测量结果如下图 2。

 

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图 2 电流探头测量结果图

二、电池使用时长计算

通讯模块常有两种工作模式,工作模式和休眠模式,如下图 3所示。

 

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图 3 平均电流

 

按照上图所示,两个发送包之间的发送间隔为1000ms,计算平均电流:

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也就是说,1秒内平均电流大约为2.4mA,如果使用一节CR2032供电,理想情况下可以大约使用83个小时,约3.5天。如果我们将发送间隔延长到1个小时呢?类似的,可以通过上面的公式算出,1小时的平均电流仅为1.67uA。同样一节CR2032电池可以支持设备工作119760小时,约13年!从上述这两个例子比较看出,增加发送包之间的时间间隔,延长休眠时间,可以降低整机的功耗,使得设备能够更长久的工作。这也是为什么无线抄表行业的产品普遍使用年限很长,因为它们每天只发送一次数据。

三、常见功耗问题与原因

保持产品的低功耗,除了增加发射间隔时间,还有就是降低产品本身的电流消耗,也就是上面提及到的 Iwork和 ISleep 。一般情况下,这两个数值跟芯片数据手册是一致的,但如果操作不当,就有可能出现问题。我们在测试模块的发射电流时,发现是否安装天线对测试结果有很大影响。在带天线测量的时候,某产品电流为120mA,但是如果拧掉天线,测试电流飙升到近150mA。这种情况下的功耗异常主要是由模块射频端失配,引起内部PA工作异常导致的。因此,实际测试时务必带载测试。

我们发现,当发送间隔越来越长,工作电流占空比降越来越小,这时影响整机功耗的最大的因素就是ISleep。ISleep越小,产品续航时间也就越长了。但是有可能测试的休眠电流偏大,那是为什么呢?

这有可能是MCU的配置引起的,一般的MCU单个IO口功耗就能达到mA级别。换句话说,如果不小心漏掉或者错配一个IO口的状态,就有可能破坏前期的低功耗设计。下面以某产品为例进行一个小实验,看看这个问题影响有多大。

 

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图 4 产品A的低功耗IO配置测试结果

 

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图 5 产品A的IO配置不当测试结果

 

在图 4和图 5的测试过程中,同一个产品,同样配置为模块休眠模式,可以很明显看到测试结果的不同。在图 4中,所有IO都配置为输入下拉或者上拉,测试出来的电流仅为4.9uA,而图 5中,仅仅把其中两个IO配置为浮空输入,测试结果为86.1uA。

如果保持图 3的工作电流和时长不变,发送间隔为1个小时,带入不同的休眠电流计算。按照图 4的结果计算,一个小时的平均电流为5.57uA,而按照图 5则为86.77uA,相差约16倍。同样使用一节200mAh的CR2032电池供电,产品按照图 4的配置,可以正常工作时间约为4年,而按照图 5配置,这个结果仅为3个月左右!

 

结论,延长无线模块待机时间需遵循以下设计原则:

 

1、 尽可能的延长发送包间隔,降低周期内的电流;

 

2、正确的配置MCU的IO状态。

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