物联网和可穿戴设备待机功耗分析

                      泰克吉时利物联网功耗分析方案

物联网发展的背景：

  随着物联网技术的爆发，在不久的将来，万事万物都会通过网络实现无线连接和数据共享，取代现有

的互联网，形成一个万物互联的新网络。许多学校开始建立物联网专业或者相关课程，与物联网相关的

大学生电子竞赛也在各地区展开。

  在物联网设备的研发和设计测试阶段，除了对设备无线通信性能的要求外，物联网设备的电池续航时间

也成为决定产品优劣的重要指标。从芯片制造商，到产品的研发人员，整个行业都在花费更多精力，优化

产品的耗电特性，以谋求物联网设备更好的使用体验。

  低功耗是物联网设备固有的特性，也是物联网设备研究中的关键问题，对低功耗设备直流功耗的测量和

评估是物联网研究的重点。通过对物联网设备的进行直流功耗分析，可以了解该设备各个组成部分在不同

工作状态下的功耗特性，为下一步优化物联网设备功耗提供数据基础。

在物联网设备设计验证过程，功耗测量所面临的挑战：

  物联网设备的直流耗电特性，与其工作状态密切相关。首先物联网节点通长需要长时间工作，以避免

频繁更换电池造成的系统不稳定和额外的人工开销。分解到每一个物联网设备的功能模块上，可以看到

每个单元所消耗的电流值都非常微小。

 在深度睡眠模式下，整个传感器消耗的电流将小于1uA。为达到这样的功耗目的，物联网节点所消耗的

 电流波形通常如下图所示：

  物联网节点消耗的电流波形通常以脉冲形式出现，在工作状态下，射频单元里的功放模块是耗电

大户，为了将射频信号以一定的功率发射出去，需要将工作电流瞬间拉升到几十毫安。而在其他状态下，

整个物联网节点将迅速转换到待机模式下，关闭所有不必要的功能模块以降低功耗节省电量。此时的耗电

电流将下降到几百纳安量级。因此要准确的预测和评判物联网设备的功耗特性，通常面临的挑战有以下几点：

一.微小电流的准确测量：

与传统直流功耗测试不同，物联网设备体积更小，电池容量更小，工作时间要求更长，因此在待机功耗

分析时，往往需要测量更小的电流，它们的幅度通常在微安级以下，因此对电流测试设备的精度要求会更高。

DMM7510 七位半数字万用表可以实现高达1pA的电流分辨率和100pA的电流测试精度

二．复杂电流波形的准确捕捉：

  由于严苛的功耗限制，物联网设备在工作时，需要非常快速的模式切换能力，可以在短时间

内迅速进入省电模式，关闭不需要的功能模块以达到省电目的。因此为了准确的测量耗电特性，

需要对电流波形进行高速捕捉。电流采样率越高，所能得到的电流波型细节就越完整，耗电特性

分析就越准确。

 将特定的电流脉冲放大可以看到更多的电流变化细节，在电流测试中可以提供更多的细节内容，

使电流测试结果更加真实可信。通常100,000次/秒～1,000,000次/秒的采样速率可以帮助准确的

捕捉电流功耗波形变化。

三.可靠精确的供电：

  由于绝大多数物联网设备采用电池供电方式，在测量产品耗电时，电池的不同状态可能对耗电

测试结果产生影响。

  常规锂离子电池的工作电压在3.7V~4.2V之间变化。电池电压偏低时，为达到 正常工作所需要

的功率，物联网设备消耗的电流会更大一些。

  例如为达到80uW输出功率，3.7V的电池需要输出21.6uA电流，而4.2V的电池只需输出19.04uA

电流，两者之间相差约10%，远大于一般客户可以接受的电流测量精度要求。

  因此，为了确保在同一条件下测试耗电特性，通常会使用高精度电源代替电池为设备供电，以保证

可控和稳定的工作电压条件。泰克吉时利 2280S 高精度电源可以提供高达 3mV 的输出精度，确保供电

环境的一致性。

上图中使用 2280S 为待测件供电，同时用DMM 7510 高精度万用表进行电流数据捕捉。

  另外2280S 还具有高瞬态响应能力，当负载电流大幅度变化时，电源输出电压可以在50uS时间内

恢复正常，避免设备由于供电失调导致测试的异常中止。

四.便捷的测试方法

  对设计研发人员而言，便捷快速的获取所需要的测试数据非常重要。采用电脑软件进行仪表控制，

把阅读复杂产品说明书和操作手册的时间节省出来，对提高工作效率非常有利。

  长时间数据测量（Data Logging）功能对物联网功耗分析非常重要，可以满足长时间电流监控的

需求，可以以高采样率连续记录产品消耗的电流数据，记录时长取决于电脑硬盘容量，可以以小时

或天为单位，连续不断的保存电流数据，并保存成 CSV文件，供给后续数据分析使用。

  另外软件中还需要提供标志（Marker）功能，可以测量不同标志之间的电量值，电流最大、最小、

平均值等统计信息

      软件可以以毫安时为单位统计一段时间内的电量数据，并自动计算最大、最小、平均值等信息。

  另外软件还可以以CCDF形式，显示电流在一段时间内的分布特性，方便用户根据CCDF图形判断在

软硬件变更后的耗电特性改善情况。用户可以将多组测试结果用不同颜色曲线在同一图形上显示

出来，更靠右上方的曲线表示耗电性能更差（大电流所占的时间比更大），更靠左下方的曲线

表示耗电性能更好（小电流所占的时间比更大）

  五.物美价廉的测试方案

  物联网功能模块的价格在未来将持续走低，相关配套测试设备的价格约会越来越低。为了实现

高精度，高性能，低价格的测试目标，泰克公司推出的IoT相关测试方案具有非常高的性价比，

非常适合于学校和中小研发企业使用。

物联网设备功耗测试系统配置：

数字万用表 ：DMM7510 七位半数字万用表

电源：2280S-32-6 高精度电源

软件：KSC-4000A