Artykuł opisuje pomiary pracy baterii w urządzeniach IoT. Do tego celu wykorzystano sondę pomiarową Rohde & Schwarz RT-ZVC02/04(A).

Wstęp

Wytrzymałość baterii jest jednym z kluczowych parametrów branych pod uwagę w telefonach, urządzeniach IoT (ang. Internet-of-Things) i wielu innych, należących do szerokiej kategorii „ubieralnych” (z ang. wearables).

Każdy z nas zna to uczucie, kiedy bateria smartfona jest na wykończeniu, a nie mamy pod ręką ładowarki. Konsumenci przykładają olbrzymią wagę do kwestii czasu pracy urządzenia na baterii, nie tylko dlatego, że jest ono istotne z punktu widzenia komfortu użytkowania, ale też bardzo łatwo pod tym kątem porównywać urządzenia w danej kategorii.

Przy urządzeniach, od których oczekuje się, że będą sprawne „zawsze i wszędzie”, czas pracy na baterii, a przez to także zużycie energii, są dla klientów prawdopodobnie jednymi z najważniejszych aspektów branych pod uwagę.

W celu utrzymania możliwie niskiego poboru mocy, urządzenia te mogą pracować w różnych trybach uśpienia, kiedy to pobór prądu jest bardzo niski. Taki sprzęt tylko na krótkie chwile przełącza się w tryb aktywny o normalnym lub wysokim poborze mocy.

Aby dokładnie poznać pobór mocy takich urządzeń, konieczne jest wykorzystanie sond pomiarowych zdolnych do zmierzenia bardzo małych prądów, rzędu μA lub nawet nA, jak również prądów sięgających kilku amperów.

Obsługa tak szerokich zakresów dynamicznych, mających rozpiętość sześciu a nawet dziewięciu rzędów wielkości jest nie lada wyzwaniem dla każdego urządzenia pomiarowego. Mogą mu nie sprostać nawet multimetry cyfrowe, sondy prądowe czy źródła mierzące. Urządzenie R&S RT-ZVC02/04 oferuje pomiary w zakresie od 4,5 μA, nawet do 10 A i pozwala zmierzyć je bardzo dokładnie dzięki 18-bitowemu konwerterowi analogowo-cyfrowemu. W celu pełnego zobrazowania zakresu dynamicznego, warto zauważyć, że urządzenie R&S RT-ZVC02A/04A¹ oferuje automatycznie przełączane wzmocnienie, pozwalając płynnie odczytywać wartość prądu przy wielu zakresach pomiarowych.

W dalszej części niniejszego tekstu sonda R&S RT-ZVC02/04(a) zostanie zaprezentowana w kontekście typowych problemów występujących przy pomiarach czasu życia baterii urządzeń niskomocowych. W centrum uwagi będzie połączenie sondy R&S®RT-ZVC z oscyloskopem, jednak opis ten równie dobrze można będzie odnieść do innych układów pomiarowych, takich jak połączenie R&S RT-ZVC z CMWRun². Ten ostatni umożliwia długotrwałą akwizycję danych w korelacji ze zdarzeniami sygnałowymi. Pozwala również na programową estymację pozostałego czasu życia baterii. Z drugiej strony, połączenie wielokanałowej sondy z oscyloskopem pozwala jednocześnie obserwować wiele kanałów i korelacje między innymi sygnałami elektrycznymi, więc właściwie stanowi uniwersalne narzędzie diagnostyki sygnałowej.

Typowy profil prądowy urządzeń IoT i przykłady pomiarów

Podstawową strategią mającą na celu maksymalizację czasu życia baterii jest utrzymywanie urządzenia w trybie uśpienia przez większość czasu i wybudzanie go jedynie na krótkie fazy aktywności. Im dłużej urządzenie będzie uśpione, tym dłużej wytrzyma bateria. Zarówno prąd pobierany w trybie uśpienia jak i w trybie aktywnym, a przez to także zużycie energii w obu tych trybach, ma wpływ na osiągalną długość działania baterii.

Rysunek 1. Typowy profil poboru prądu urządzenia IoT. Długie stany uśpienia układu o bardzo niskim poborze prądu przerywane są krótkimi okresami aktywności, w których mikrokontroler przetwarza dane

Rysunek 1 przedstawia typowy profil zużycia prądu urządzenia IoT. Faza uśpienia, kiedy pobierany prąd jest rzędu μA, często trwa przez wiele sekund albo nawet dłużej. W fazie aktywności prąd może wynosić nawet 100 mA, ale zazwyczaj mamy do czynienia z okresami aktywności o różnych poziomach poboru mocy.

Aby oszacować czas życia baterii należy uwzględnić zarówno tryby bardzo niskiego poboru prądu, jak i prądy w fazie aktywnej. Dzięki sondzie R&S®RT-ZVC02/04 zasięg pomiarowy oscyloskopów R&S RTE1000, R&S RTO2000 czy R&S RTP (w dalszej części tekstu nazywanych ZVC, ZVCA lub RTO/RTE/RTP) jest rozszerzony dwukrotnie (RT-ZVC02) lub czterokrotnie (RT-ZVC04) dla każdego kanału napięciowego lub bocznikującego, będącego pod kontrolą interfejsu MSO³ oscyloskopu.

Urządzenie ZVC oferuje szeroki zakres dynamiczny i 18-bitową konwersję analogowo-cyfrową. Zakres ten jest efektywnie większy w urządzeniach ZVCA, dzięki automatycznemu przełączaniu wzmocnienia. Umożliwia to łatwe pomiary od najniższych do najwyższych wartości wzmocnienia.

Typowe zastosowania to:

• Wykrywanie błędów oprogramowania. Testowana aplikacja ustawia układ w określony tryb, np. uśpienia. ZVC mierzy prąd układu, co pozwala sprawdzić, czy urządzenie faktycznie jest w prawidłowym stanie.
• Rozszerzeniem powyższego zastosowania jest przeprowadzenie pełnego profilowania prądowego, t.j. oszacowania czasu jaki układ spędza w określonych trybach a także pomiar faktycznego poboru prądu w poszczególnych trybach (np. aktywnym, uśpienia, czuwania, …), kiedy układ się w nich znajduje.

Przykłady, które rzucają nieco światła na to zagadnienie, np. konfiguracja ZVC z oscyloskopem i ZVCA w połączeniu z CMWRun można będzie znaleźć w kolejnych częściach artykułu.

Dokładny pomiar czasu i prądu pozwala nie tylko na optymalizację sprzętu elektronicznego, ale także pozwala programistom na dalszą optymalizację oprogramowania działającego w układzie, poprzez powiązanie mierzonego poboru mocy z różnymi aktywnościami układu.

Dodatkowo, często wymaganych jest wiele kanałów pomiarowych, ponieważ w skomplikowanych produktach różne moduły układu elektronicznego mogą być aktywowane w określonym czasie. Możliwe jest na przykład wyzwalanie pomiaru przez określoną komendę dekodowanej magistrali szeregowej (I2C), służącej do komunikacji między mikroprocesorem a nadajnikiem badanego układu i mierzenie opóźnienia rozpoczęcia transmisji radiowej (por. rysunek 2), lub pomiar poboru prądu w czasie tej aktywności.

Rysunek 2. Wewnętrzna architektura układu niskomocowego z magistralą szeregową (w tym przypadku I²C). W punkcie (1) można użyć sond zbliżeniowych, a w punkcie (2) przyda się wyzwalanie na złączu szeregowym i możliwość dekodowania komend.

W takiej konfiguracji wyzwalanie na złączu szeregowym i możliwość dekodowania komend pozwalają połączyć precyzyjny pomiar czasu rozpoczęcia pomiaru na wykrytych sygnałach z dokładnym pomiarem prądu.

Aspekty pomiaru prądu za pomocą sondy RT-ZVC(A)

Przygotowanie testowanego układu

Dostęp do kluczowych komponentów testowanego układu silnie zależy od jego rodzaju. Przy prostych pomiarach prądu/napięcia zazwyczaj mamy wystarczająco dobry dostęp do miejsca instalacji baterii. Przy urządzeniach zasilanych zewnętrznie (np. za pomocą kabla USB) przydadzą się adaptery do podłączenia wtyczek bananowych sondujących kable zasilające.

ZVC umożliwia pomiary prądu metodą bocznikową, więc warto się zastanowić, czy wykonywać je po stronie zasilania (ang. high-side), czy układu (low-side),

Więcej na ten temat w kolejnych częściach artykułu

Szum i nieliniowość pomiaru

Zazwyczaj można wyróżnić kilka podstawowych wymagań pomiaru. Są to między innymi wysoka dokładność przy wystarczająco dobrej rozdzielczości pomiaru i jak najniższym szumie, żeby móc przeanalizować nawet najdrobniejsze szczegóły. ZVC umożliwia pomiary z wysoką rozdzielczością dzięki wykorzystaniu 18-bitowych konwerterów, a filtr dolnoprzepustowy dodatkowo niweluje wszelkie szumy.

Tabela 1. Szum zmierzony przy dwóch różnych pasmach i dwóch zakresach prądów wielokanałowej sondy ZVC. Warto zwrócić uwagę na fakt, że szum może być mniejszy niż dokładność pomiaru prądu stałego

Pasmo kanałów prądowych ZVC może być regulowane z dokładnością do 5 kHz, celem dokładnego dopasowania, pozwalającego na odfiltrowanie szumu. Tabela 1 przedstawia wartości szumu przy maksymalnym (1 MHz) i minimalnym (5 kHz) paśmie ZVC. Jak widać, dokładność pomiaru prądu stałego może być wyższa od szumu. Warto o tym pamiętać, gdyż nie jest możliwe osiągnięcie całkowitej dokładności poniżej tego poziomu, niezależnie od tego jak bardzo zawęzimy pasmo częstotliwości.

Powoduje to też dodatkowe ograniczenia przy interpretacji dostępnej rozdzielczości pomiarowej. Przy najwęższym paśmie, rozdzielczość jest zbliżona do wartości szumu przy danym zakresie pomiarowym.

Wybór właściwego źródła zasilania

Stabilne i niskoszumne źródło zasilania jest niezwykle istotne przy pomiarach bardzo niskich prądów. Wymaganie to jest szczególnie widoczne w przytoczonych poniżej przykładach.

Zintegrowany konwerter DC-DC

Zazwyczaj na stanowisku laboratoryjnym mamy do czynienia z niskomocowym układem scalonym, w którym niemal wszystkie peryferia zintegrowane są w jednej obudowie. Układ ten podłączamy do płytki drukowanej ze złączami zasilającymi. Moc może być przekazywana za pośrednictwem zewnętrznego konwertera, np. z napięcia zmiennego 230 V na napięcie stałe 12 V. Stabilizator napięcia stałego umieszczony jest na płytce celem dalszej konwersji z 12 V do typowej wartości 3,8 V, którą zasilany jest badany układ.

Używając takiego stanowiska laboratoryjnego przy pomiarze prądu w trybie uśpienia możemy uzyskać wynik taki jak to przedstawiono na rysunku 3. Szum mocno uwidacznia się na wykresie prądu o spodziewanej, małej wartości.

Rysunek 3. Oscylacje o wahaniach ok. 800 μA całkowicie zaciemniają obraz przy pomiarze prądu o oczekiwanej wartości ok. 3 μA

Analiza widmowa tych przebiegów uwidacznia występowanie różnych częstotliwości, m.in. powolnych zmian, rzędu 12,5 kHz i szybkich oscylacji rzędu 600 kHz. Częstotliwości te nie pochodzą z sondy ZVC, ich źródłem musi więc być sam badany układ lub płytka ewaluacyjna.

Dla ścisłości skupmy się na sygnale o niższej zmienności. Został on odizolowany przy pomocy konfigurowalnych filtrów dolnoprzepustowych w oscyloskopie RTO i sondy przeznaczonej do obserwacji zasilania R&S RT-ZPR20. Pozostawiono w ten sposób tylko częstotliwości poniżej 12,5 kHz.

Wówczas dopiero ujawniło się bardzo małe tętnienie za regulatorem na linii zasilania prądem stałym (por. rysunek 4). Takie niewielkie tętnienie, tj. 5mV_PP nałożone na stałe napięcie zasilania 3,907 V, jest trudne do wychwycenia bez użycia specjalistycznych narzędzi pomiarowych. Jednak nawet ono może wpływać na pomiar i ujawniać się w postaci oscylacji małych prądów, tak jak to pokazano na rysunku 3.

Rysunek 4. Oscylacje na linii zasilania o częstotliwości 12,5 kHz, których źródłem jest płytka ewaluacyjna, zmierzone za pomocą dedykowanej sondy do pomiarów zasilania RT-ZPR20. Wyższe częstotliwości zostały odfiltrowane.

Zaleca się zatem stosowanie bateryjnego źródła energii, aby uniknąć szumu na liniach zasilających. Na szczęście, płytki ewaluacyjne mają taką opcję i pozwalają na ominięcie regulatora napięcia na płytce. Niezłe rezultaty daje też stosowanie tradycyjnych, niskoszumnych analogowych źródeł zasilania oraz wysokowydajnych źródeł mierzących o bardzo niskich szumach i krótkich czasach stabilizacji.

Przełączane zasilacze laboratoryjne

W przypadku przełączanych zasilaczy laboratoryjnych może wystąpić problem polegający na pojawianiu się skoków lub tętnień napięcia źródła, szczególnie jeśli pobierany prąd jest zaniedbywalnie mały (z punktu widzenia źródła zasilania). Z tego powodu warto przeanalizować linie zasilania wykorzystywanych w układzie źródeł. Jest to zalecane ilekroć zaobserwowane zostanie tętnienie lub inne oscylacje prądu i napięcia na zaciskach badanego układu. Przykładowe skoki pochodzące z zewnętrznego źródła zasilania przedstawiono na rysunku 5.

Rysunek 5. Tętnienie przy pomiarze małych prądów, spowodowane nieodpowiednim doborem źródła zasilania

Przypisy:

1. R&S RT-ZVC02A/04A jest teraz kompatybilny tylko z CWMRun.
2. Opis połączenia R&S RT-ZVC z CMWRun i R&S CMW500 celem wykorzystania przy pomiarach poboru mocy można znaleźć w nocie aplikacyjnej “IoT Power Consumption Measurement – 1MA281”, gdzie omówiono konfigurację pozwalającą na dodanie pomiaru poboru mocy w scenariusz emulowanej pracy sieci, w której badany układ komunikuje się z R&S CMW500, a CWMRun bezpośrednio steruje zarówno R&S RT-ZVC jak i R&S CMW500.
3. Mixed Signal Option