Jak prawidłowo zmierzyć pobór mocy modułów komunikacji bezprzewodowej w dobie niskiego poboru mocy?: 6 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:30

Niski pobór mocy to niezwykle ważna koncepcja w Internecie Rzeczy. Większość węzłów IoT musi być zasilana bateriami. Tylko poprzez prawidłowe zmierzenie poboru mocy modułu bezprzewodowego możemy dokładnie oszacować, ile baterii potrzeba na 5-letnią żywotność baterii. W tym artykule wyjaśnimy Ci szczegółowe metody pomiaru.

W wielu zastosowaniach Internetu Rzeczy urządzenia końcowe są zwykle zasilane bateryjnie i mają ograniczoną dostępną moc. Ze względu na samorozładowanie akumulatora rzeczywiste zużycie energii elektrycznej w najgorszym przypadku wynosi tylko około 70% mocy nominalnej. Na przykład powszechnie używana bateria guzikowa CR2032, nominalna pojemność jednej baterii wynosi 200 mAh, a właściwie można użyć tylko 140 mAh.

Ponieważ moc baterii jest tak ograniczona, ważne jest, aby zmniejszyć zużycie energii przez produkt! Przyjrzyjmy się powszechnie stosowanym metodom pomiaru zużycia energii. Tylko wtedy, gdy te metody pomiaru zużycia energii są jasne, można zoptymalizować zużycie energii przez produkt.

Krok 1: Po pierwsze, pomiar zużycia energii

Test zużycia energii modułu bezprzewodowego polega głównie na pomiarze prądu i tutaj jest podzielony na dwa różne testy prądu spoczynkowego i prądu dynamicznego. Gdy moduł jest w stanie uśpienia lub czuwania, ponieważ prąd się nie zmienia, zachowaj wartość statyczną, nazywamy to prądem spoczynkowym. W tej chwili do pomiaru możemy użyć tradycyjnego multimetru, wystarczy podłączyć multimetr szeregowo z pinem zasilania, aby uzyskać wymaganą wartość pomiaru, jak pokazano na rysunku 1.

Krok 2:

Podczas pomiaru prądu emisji w normalnym trybie pracy modułu, całkowity prąd zmienia się ze względu na krótki czas potrzebny na transmisję sygnału. Nazywamy to prądem dynamicznym. Czas odpowiedzi multimetru jest długi, trudno jest uchwycić zmieniający się prąd, więc nie można użyć multimetru do pomiaru. Do zmiany prądu należy użyć oscyloskopu i sondy prądowej do pomiaru. Wynik pomiaru przedstawiono na rysunku 2.

Krok 3: Po drugie, obliczanie żywotności baterii

Moduły bezprzewodowe często mają dwa tryby działania, tryb pracy i tryb uśpienia, jak pokazano na rysunku 3 poniżej.

Krok 4:

Powyższe dane pochodzą z naszego produktu LM400TU. Zgodnie z powyższym rysunkiem odstęp transmisji pomiędzy dwoma pakietami transmisji wynosi 1000ms, a średni prąd obliczany jest:

Innymi słowy, średni prąd wynosi około 2,4 mA w ciągu 1 sekundy. Jeśli korzystasz z zasilacza CR2032, idealnie możesz użyć około 83 godzin, około 3,5 dnia. Co się stanie, jeśli wydłużymy czas pracy do jednej godziny? Podobnie można obliczyć z powyższego wzoru, że średni prąd na godzinę wynosi tylko 1,67uA. Ta sama sekcja baterii CR2032 może obsłużyć sprzęt do pracy 119, 760 godzin, około 13 lat! Z porównania powyższych dwóch przykładów, wydłużenie odstępu czasu pomiędzy wysyłaniem pakietów i wydłużenie czasu uśpienia może zmniejszyć zużycie energii przez całą maszynę, dzięki czemu urządzenie może pracować dłużej. Dlatego produkty w branży bezprzewodowego odczytu liczników są zwykle używane przez długi czas, ponieważ przesyłają dane tylko raz dziennie.

Krok 5: Po trzecie, typowe problemy z zasilaniem i ich przyczyny

W celu zapewnienia niskiego zużycia energii przez produkt, oprócz wydłużenia czasu przerwy między pakietami, zmniejsza się również pobór prądu samego produktu, czyli wspomnianych wyżej Iwork i ISleep. W normalnych warunkach te dwie wartości powinny być zgodne z arkuszem danych chipa, ale jeśli użytkownik nie jest używany prawidłowo, mogą wystąpić problemy. Kiedy testowaliśmy prąd emisyjny modułu, stwierdziliśmy, że instalacja anteny miała duży wpływ na wyniki testu. Podczas pomiaru za pomocą anteny prąd produktu wynosi 120mA, ale jeśli antena jest odkręcona, prąd testowy wzrasta do prawie 150mA. Anomalia poboru mocy w tym przypadku jest spowodowana głównie przez niedopasowanie końcówki RF modułu, powodując nieprawidłowe działanie wewnętrznego PA. Dlatego zalecamy klientom wykonanie testu podczas oceny modułu bezprzewodowego.

W poprzednich obliczeniach, gdy interwał transmisji jest coraz dłuższy, cykl pracy prądu jest coraz mniejszy, a największym czynnikiem wpływającym na pobór mocy całej maszyny jest ISleep. Im mniejszy ISleep, tym dłuższa będzie żywotność produktu. Ta wartość jest ogólnie zbliżona do arkusza danych chipa, ale często spotykamy się z dużą ilością prądu uśpienia w teście opinii klientów, dlaczego?

Ten problem jest często spowodowany konfiguracją MCU. Średni pobór mocy przez pojedynczy MCU może osiągnąć poziom mA. Innymi słowy, jeśli przypadkowo przegapisz lub nie dopasujesz stanu portu IO, prawdopodobnie zniszczy to poprzedni projekt o niskim poborze mocy. Weźmy jako przykład mały eksperyment, aby zobaczyć, jak duży wpływ ma problem.

Krok 6:

W procesie testowym przedstawionym na rysunku 4 i rysunku 5 przedmiotem testu jest ten sam produkt, a ta sama konfiguracja to tryb uśpienia modułu, który oczywiście może zobaczyć różnicę wyników testu. Na rysunku 4 wszystkie IO są skonfigurowane na wejście pull-down lub pull-up, a testowany prąd wynosi tylko 4,9uA. Na rysunku 5 tylko dwa wejścia IO są skonfigurowane jako wejścia zmiennoprzecinkowe, a wynik testu to 86,1uA.

Jeśli prąd roboczy i czas trwania z rysunku 3 są utrzymywane na stałym poziomie, interwał transmisji wynosi 1 godzinę, co powoduje różne obliczenia prądu uśpienia. Zgodnie z wynikami z rys. 4 średni prąd na godzinę wynosi 5,57 uA, a zgodnie z rys. 5 jest to 86,77 uA, czyli około 16 razy. Również przy użyciu zasilacza bateryjnego 200mAh CR2032, produkt zgodnie z konfiguracją z rysunku 4 może pracować normalnie przez około 4 lata, a zgodnie z konfiguracją z rysunku 5, ten wynik wynosi tylko około 3 miesiące! Jak widać z powyższych przykładów, należy przestrzegać następujących zasad projektowania, aby zmaksymalizować czas użytkowania modułu bezprzewodowego:

1. Pod warunkiem spełnienia wymagań aplikacji klientów, wydłuż interwał wysyłania pakietów tak bardzo, jak to możliwe i zmniejsz prąd roboczy w okresie pracy;

2. Status IO MCU musi być poprawnie skonfigurowany. MCU różnych producentów mogą mieć różne konfiguracje. Szczegółowe informacje można znaleźć w oficjalnych danych.

LM400TU to moduł rdzeniowy LoRa o małej mocy opracowany przez ZLG Zhiyuan Electronics. Moduł został zaprojektowany w technologii modulacji LoRa wywodzącej się z wojskowego systemu łączności. Łączy w sobie unikalną technologię przetwarzania rozszerzającą widmo, aby doskonale rozwiązywać małe ilości danych w złożonym środowisku. Problem komunikacji na bardzo duże odległości. Moduł transparentnej transmisji sieci LoRa zawiera transparentny protokół transmisji samoorganizującej się sieci, obsługuje samoorganizującą się sieć użytkownika za pomocą jednego przycisku i zapewnia dedykowany protokół odczytu liczników, protokół CLAA i protokół LoRaWAN. Użytkownicy mogą bezpośrednio tworzyć aplikacje bez poświęcania dużej ilości czasu na protokół.