如何估計(jì)無線傳感器電池供電時(shí)間?
發(fā)布時(shí)間:2020-01-14 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】無線傳感器為監(jiān)測(cè)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(cè)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(gè)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(shí),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(jì)由電池供電的無線傳感器,要想確保它能夠工作一定的時(shí)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(dòng)時(shí)才用電,其他時(shí)候傳感器會(huì)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(dòng),每個(gè)活動(dòng)均要在一段時(shí)間內(nèi)消耗一定的電能。最常見的活動(dòng)包括:
●喚醒、測(cè)量,以及將數(shù)據(jù)處理成信息
●對(duì)射頻功率放大器加電,發(fā)送信息,再次對(duì)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(duì)接收機(jī)加電、接收信號(hào)、處理數(shù)據(jù),按照信息行動(dòng),并再次斷電
顯而易見,有很多操作都會(huì)消耗電池的電能。
延長電池供電時(shí)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(shí)間短這個(gè)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(jì)電池的供電時(shí)間呢?
作為一名設(shè)計(jì)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(diǎn),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(shí)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(gè)預(yù)定義數(shù)量的能量(瓦時(shí)(Wh))和容量(安時(shí)(Ah))。如果您知道器件工作需要多大的功率,就能計(jì)算出電池的供電時(shí)間。
電池供電時(shí)間(小時(shí)) = 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(yàn)確定的電池放電曲線的中點(diǎn)值,可以正確關(guān)聯(lián)電池的能量與容量。基于這個(gè)定義,電池的供電時(shí)間也可以用這個(gè)公式來確定:
電池供電時(shí)間(小時(shí)) = 電池容量(Ah) / 平均放電電流(A)
圖 2:Keysight N6781A SMU 能夠跨動(dòng)態(tài)電流電平進(jìn)行精確測(cè)量。
不過,當(dāng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)際工作時(shí),電池供電時(shí)間通常短于您計(jì)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(huì)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(huì)有 5% 到 10% 的差異。但是即使按照保守估計(jì)的電池容量,電池供電時(shí)間也往往達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。器件工作的時(shí)間長度比我們預(yù)計(jì)的短。為什么會(huì)這樣?我們估計(jì)的電量使用情況正確嗎?可能不正確。讓我們探索一下這個(gè)問題。
測(cè)量動(dòng)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(shí)才激活。工程師將器件設(shè)計(jì)為大多數(shù)時(shí)間都處于消耗電量最小的睡眠模式。在睡眠模式下,只有實(shí)時(shí)時(shí)鐘運(yùn)行。器件會(huì)定期喚醒以執(zhí)行測(cè)量。然后將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至接收節(jié)點(diǎn)。
不同的工作模式會(huì)導(dǎo)致電流消耗跨越從亞 uA 到 100mA 很寬的動(dòng)態(tài)范圍,其比值達(dá)到了 1:1,000,000。
傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)及其局限性
要測(cè)量電流,眾所周知的方法便是使用萬用表的安培計(jì)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(cè)量精度,但其技術(shù)指標(biāo)是根據(jù)固定范圍和相對(duì)靜態(tài)的信號(hào)電平來確定的,由于無線傳感器具有動(dòng)態(tài)的電流消耗,并不是非常適合使用萬用表來測(cè)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(duì)于每個(gè)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(cè)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(huì)不時(shí)看到不穩(wěn)定的讀數(shù)。我們知道數(shù)字萬用表擁有多個(gè)量程,采用自動(dòng)量程能夠選擇最恰當(dāng)?shù)牧砍蹋⒛芴峁┳罴丫取2贿^,數(shù)字萬用表也不是全是優(yōu)點(diǎn)。自動(dòng)量程需要時(shí)間來改變量程和穩(wěn)定測(cè)量結(jié)果。自動(dòng)量程時(shí)間通常為 10ms 至 100ms,長于傳輸或激活模式的時(shí)間。因此,用戶需要禁用自動(dòng)量程功能,手動(dòng)選擇最恰當(dāng)?shù)牧砍獭?nbsp;
數(shù)字萬用表的測(cè)量原理是通過在電路中插入一個(gè)分路器,然后測(cè)量這個(gè)分路器上的壓降。通常,要測(cè)量小電流,您可使用高電阻分路器并選擇低量程;要測(cè)量大電流,則使用低電阻分路器并選擇高量程。這個(gè)壓降也稱為負(fù)載電壓。由于這個(gè)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(cè)量睡眠電流,但在電流峰值期間會(huì)承受一定的電壓,而這甚至可能造成器件重置。實(shí)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(shí)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(cè)量睡眠電流,但代價(jià)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(huì)嚴(yán)重影響低電流電平的測(cè)量結(jié)果。這個(gè)誤差可能是 100mA 量程的 0.005%,也就是 5μA,但對(duì)于 10μA 來說就是 50%,對(duì)于 1μA 電流就是 500%。器件在大多數(shù)時(shí)間都處于這個(gè)電流電平,因此這個(gè)誤差對(duì)于電池供電時(shí)間的估計(jì)有著巨大影響。
在測(cè)量完傳感器在睡眠模式下的低電流電平后,我們還必須測(cè)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(shí)間。示波器是測(cè)量信號(hào)隨時(shí)間變化的卓越工具。不過,我們需要測(cè)量幾十 mA 級(jí)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(cè)量線路的電場(chǎng),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(chǎng)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(diǎn)測(cè)量電流。采用這種方法,我們可以捕獲激活時(shí)間和傳輸時(shí)間的電流脈沖。即使在激活和傳輸時(shí)間內(nèi),電流也會(huì)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(jì)算平均電流,這個(gè)波形需要導(dǎo)出,所有測(cè)量點(diǎn)需要整合以獲得平均值。
圖 4:200 多秒運(yùn)行時(shí)間的電流消耗記錄為觀察器件的動(dòng)態(tài)電流消耗提供了新視野。
示波器能夠很好地捕獲單個(gè)猝發(fā)。不過,如果想要驗(yàn)證傳感器在一段時(shí)間內(nèi)激活了多少次,多長時(shí)間發(fā)射一次 TX 猝發(fā),測(cè)量將會(huì)更加復(fù)雜。示波器可在短時(shí)間內(nèi)輕松和出色地完成測(cè)量,但是傳感器擁有數(shù)分鐘或數(shù)小時(shí)的運(yùn)行周期,捕獲和測(cè)量起來更加復(fù)雜。
測(cè)量創(chuàng)新
用于電池耗電分析的 Keysight N6781A 電源 / 測(cè)量單元(SMU)通過兩大創(chuàng)新,克服了傳統(tǒng)測(cè)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(gè) 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(xiàng)專利技術(shù),它可使 SMU 改變測(cè)量量程,同時(shí)輸出電壓保持穩(wěn)定,不會(huì)因?yàn)榱砍谈淖冊(cè)斐蓧航怠T撎匦允鼓軌蚴褂酶唠娏髁砍虂頊y(cè)量峰值,使用 1mA FS 量程(具有 100nA 偏置誤差)測(cè)量睡眠電流。這個(gè)低偏置誤差(100nA 偏置誤差對(duì)于 1μA 為 10%,對(duì)于 10μA 為 1%),數(shù)量級(jí)優(yōu)于傳統(tǒng)的數(shù)字萬用表。
無縫電流量程與兩個(gè)數(shù)字化儀相結(jié)合,能夠以 200kSa/s(5us 時(shí)間分辨率)同步采樣率測(cè)量電壓和電流。采用全時(shí)分辨率,可以捕獲和顯示 2 秒鐘以上的數(shù)字化測(cè)量結(jié)果,分辨率越低,時(shí)間成比例增加。不過,在進(jìn)行長期測(cè)量時(shí),Keysight N6705B 模塊化直流電源分析儀的內(nèi)置數(shù)據(jù)記錄器會(huì)在用戶規(guī)定的積分周期(20us 至 60 秒)內(nèi)積分 200kSa/s 測(cè)量結(jié)果,而且不會(huì)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(huì)歸入某個(gè)積分周期或下一個(gè)積分周期 ------ 不會(huì)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(cè)量無線傳感器在長達(dá) 1000 小時(shí)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)的電流和能量消耗性能。
測(cè)量睡眠電流,只需要放置游標(biāo),即可直接讀出測(cè)量讀數(shù)。圖 4 是單次采集一個(gè)長周期得到的測(cè)量結(jié)果;我們可以獲得完整的電流消耗圖,并精確測(cè)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(gè)功率電平的保持時(shí)間。使用傳統(tǒng)測(cè)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(cè)量。圖 4 中使用“???”確定的后沿脈沖便是一個(gè)明顯示例。軟件揭開了這個(gè)令人意外的秘密:對(duì)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(shí)間為 500ms。將這個(gè)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(shí)間短于預(yù)期的原因之一。
在優(yōu)化無線傳感器功耗時(shí),了解這些詳細(xì)信息對(duì)于工程師非常有幫助。當(dāng)追求用戶體驗(yàn)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(shí),了解發(fā)送一個(gè)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(jì)電池消耗對(duì)任何固化軟件變化的影響,并在合理時(shí)間內(nèi)通過實(shí)際測(cè)量進(jìn)行驗(yàn)證。
輕松進(jìn)行焦耳測(cè)量
焦耳在估計(jì)電池供電時(shí)間時(shí)非常有用,因?yàn)槊總€(gè)活動(dòng)都會(huì)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?yàn)樾枰褂秒妷?、電流和時(shí)間來計(jì)算它們。
利用 Keysight 14585A 控制和分析軟件,可以直接測(cè)量焦耳單位的能量。例如,您可以測(cè)量發(fā)射一個(gè)在觸發(fā)測(cè)量中捕獲的數(shù)據(jù)包需要消耗多少能量。這個(gè)優(yōu)勢(shì)來自于利用兩個(gè)數(shù)字化儀同時(shí)采樣電壓和電流,實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)功率測(cè)量。焦耳可以作為游標(biāo)之間的一個(gè)值輕松讀出,設(shè)計(jì)師甚至可以進(jìn)一步定義焦耳 / 發(fā)射比特。
特別推薦
- 克服碳化硅制造挑戰(zhàn),助力未來電力電子應(yīng)用
- 了解交流電壓的產(chǎn)生
- 單結(jié)晶體管符號(hào)和結(jié)構(gòu)
- 英飛凌推出用于汽車應(yīng)用識(shí)別和認(rèn)證的新型指紋傳感器IC
- Vishay推出負(fù)載電壓達(dá)100 V的業(yè)內(nèi)先進(jìn)的1 Form A固態(tài)繼電器
- 康佳特推出搭載AMD 銳龍嵌入式 8000系列的COM Express緊湊型模塊
- 村田推出3225尺寸車載PoC電感器LQW32FT_8H系列
技術(shù)文章更多>>
- “扒開”超級(jí)電容的“外衣”,看看超級(jí)電容“超級(jí)”在哪兒
- DigiKey 誠邀各位參會(huì)者蒞臨SPS 2024?展會(huì)參觀交流,體驗(yàn)最新自動(dòng)化產(chǎn)品
- 提前圍觀第104屆中國電子展高端元器件展區(qū)
- 高性能碳化硅隔離柵極驅(qū)動(dòng)器如何選型,一文告訴您
- 貿(mào)澤電子新品推薦:2024年第三季度推出將近7000個(gè)新物料
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
濾波電感
濾波器
路由器設(shè)置
鋁電解電容
鋁殼電阻
邏輯IC
馬達(dá)控制
麥克風(fēng)
脈沖變壓器
鉚接設(shè)備
夢(mèng)想電子
模擬鎖相環(huán)
耐壓測(cè)試儀
逆變器
逆導(dǎo)可控硅
鎳鎘電池
鎳氫電池
紐扣電池
歐勝
耦合技術(shù)
排電阻
排母連接器
排針連接器
片狀電感
偏光片
偏轉(zhuǎn)線圈
頻率測(cè)量儀
頻率器件
頻譜測(cè)試儀
平板電腦