Charakterizace spotřeby bateriově napájených radiových zařízení

Moderní bezdrátová komunikační zařízení musí splňovat celou řadu někdy i proti sobě jdoucích požadavků – maximální vysílací výkon, vysoká citlivost při příjmu, podpora několika komunikačních standardů a co nejdelší doba provozu při napájení z baterie. Hlavně poslední požadavek, co nejdelší doba provozu při napájení z baterie, úzce souvisí s tím, jak je zařízení schopné řídit svoji spotřebu v různých režimech svého provozu. Proto je naprosto klíčové, aby návrháři těchto zařízení (ať již se jedná o mobilní telefony, průmyslové datové modemy, či IoT senzory) byli schopni přesně změřit skutečnou spotřebu elektrické energie těchto zařízení v různých provozních režimech. Toto však není tak jednoduché, jak by se na první pohled mohlo zdát. Moderní bezdrátová zařízení se vyznačují velkým rozdílem mezi minimální a maximální hodnotou odebíraného proudu (poměr může být běžně až 1:10 000), velmi malými hodnotami odběru proudu v klidovém režimu (i pouhé jednotky mikroampér) a velice rychlými časovými změnami odběru při přechodu mezi jednotlivými režimy provozu (režim spánku -> režim vysílání). Typickou ukázku časových změn odebíraného proudu u moderních bezdrátových zařízení najdete na obr. 1, kde je zaznamenána spotřeba proudu „chytrých“ hodinek při komunikaci pomocí Bluetooth. Přesné měření odebíraného proudu umožňuje nejen optimalizovat různé provozní režimy zařízení, a výrazně tak zvýšit dobu jeho provozu na baterii, například „vyladěním“ poměru spotřeba / vysílací výkon, ale také přesně určit jeho reálnou spotřebu v různých situacích. To je velmi důležité například u IoT bezdrátových senzorů, u kterých se mnohdy počítá s provozem v řádu měsíců či let bez výměny baterie.

Ideální měřicí zařízení pro tuto úlohu by tedy mělo splňovat všechny následující požadavky současně: vysoký dynamický rozsah měření (přesná charakterizace aktivního a klidového režimu během jednoho měření), vysoká citlivost (pro přesné měření spotřeby v klidovém režimu) a rychlé vzorkování (pro zachycení rychlých změn spotřeby). Jak však dále zjistíme, tradiční metody měření se se všemi těmito požadavky zároveň vyrovnávají velmi těžko.

Tradičními nástroji pro měření spotřeby elektrické energie jsou precizní digitální multimetr či osciloskop s proudovou sondou. Jedná se o osvědčená a relativně levná řešení, která ale mají i celou řadu nedostatků.

Moderní 6½místné digitální multimetry (jako například multimetry Keysight TrueVolt) sice disponují dostatečnou citlivostí a relativně velkým dynamickým rozsahem, ale při nejvyšším rozlišení je měření velmi pomalé (řádově stovky měření za sekundu), a tak se může stát, že mnohé časově krátké změny ve spotřebě zůstanou nezměřeny. V režimu digitizéru se rychlost měření může zvýšit až na 50 000 vzorků/s, dojde ale k rapidnímu snížení rozlišení, a tím i přesnosti měření.

Měření pomocí digitálního osciloskopu s proudovou sondou sice odstraní problémy se zaznamenáním rychlých jevů (vzorkování až v řádu giga vzorků/s a šířka pásma sond až v jednotkách MHz), problémem je ale malý dynamický rozsah měření a vysoká úroveň šumu. To je kritické zejména při měření spotřeby v klidovém režimu zařízení, kdy spotřeba proudu klesá i k jednotkám mikroampér. I nejlepší proudové sondy dostupné na trhu mají šumový práh okolo 50 mikroampér, což znamená, že měřený signál zůstane hluboce „zanořen“ ve vlastním šumu sondy.

Protože tradiční metody měření, jak jsme si výše vysvětlili, nejsou schopny vyhovět všem požadavkům pro přesnou charakterizaci odběru proudu, je nutné pro tuto úlohu použít speciální zařízení. Společnost Keysight Technologies má pro tuto problematiku hned dva unikátní měřicí přístroje – DC power analyzer Keysight N6705C (obr. 2) a current waveform analyzer CX3300 (obr. 3).

Keysight DC power analyzer N6705C může obsahovat až čtyři jednotky SMU (Source Measurement Unit) a fungovat jako až čtyřkanálový zdroj a měřič napětí/ proudu. Díky technologii rychlého přepínání rozsahů „seamless ranging“ je možné bez ztráty jediného vzorku měřit s efektivním rozlišením až 30 bitů (rozlišení osciloskopů max. 12 bitů, rozlišení multimetrů max. 24 bitů), a současně tak měřit jak velmi malé klidové odběry, tak proudové špičky při vysílání.

Přístroj rovněž umožňuje zaznamenávat velmi dlouhá měření (až 1 000 hodin), a tak přesně vyhodnocovat dlouhodobé chování spotřeby. Jedinou nevýhodou je relativně nízká šířka pásma <30 kHz, která může být překážkou při přesném měření velmi úzkých proudových pulzů.

Problém měření velmi rychlých změn proudu pak odstraní zcela nová kategorie zařízení – current waveform analyzer Keysight CX3300. Jedná se o zcela nový typ měřicího přístroje, který umožňuje měření proudu v rozsahu od 150 pA do 10 A s šířkou frekvenčního pásma až 200 MHz (vzorkování 1 GSa/s). Hardwarové rozlišení je v tomto případě 14 bitů (16 bitů v režimu Hi-res). Zařízení tak vlastně funguje jako rychlý proudový osciloskop s vysokým rozlišením. V současné době to je jediné zařízení na trhu, které je schopné přesně změřit i ty nejrychlejší změny odběru proudu u bateriově napájených digitálních zařízení s velmi nízkou spotřebou.

Další informace o zařízeních a metodách pro přesnou charakterizaci spotřeby elektrické energie získáte u společnosti H TEST a. s., autorizovaného distributora měřicí techniky Keysight Technologies pro Českou republiku.