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NB-IoTLora的电流特征和低功耗测量及特征分析!
发布者:任你博娱乐 发布时间:2019-04-27 06:29

 

   

  近年来、物联网的应用领域越来越广泛,涉及智能家居、交通、生产、农业、能源、环境监测、医疗监护等。据统计,2018年物联网终端数突破100亿,并预计2020年将达到300亿。

  然而,尽管物联网连接终端数已经如此巨大,且保持高速增长,物联网的发展依然面临诸多的约束和挑战,如:

  如上图所示,从覆盖范围、功耗、数据速率、成本、延时、网络成熟度等,对蜂窝网络3G/4G/5G 、局域网ZigBee、以及LPWAN三种无线标准进行了比较。

  同时保持覆盖范围大,单个设备成本低、对数据速率要求低的特点,成为众多的物联网应用的首先方案。

  值得提醒的是,物联网由于设备数量巨大、且分散在广泛的区域,对设备的可靠性、稳定性要求更高,否则可能造成企业无法承担的维护或召回成本。

  接下来我们就重点讨论NB-IoT/Lora的电流特征和低功耗测量及特征分析!

  请大家先想想看,NB-IoT/Lora为什么能做到大的覆盖范围,却可以做到低功耗?

  没错,因为覆盖范围大,NB-IoT的峰值功耗其实与4G/5G蜂窝网络并没有太大差别。而是设计了一种称之为PSM(PowerSavingMode)省电模式NB-IoT设备只有在需要数据传输时才唤醒,其余的时间进入PSM模式(改模式比常规的手机待机功耗还要低很多),而PSM模式两次唤醒时间最大可达300小时。

  从耗电特征看,在PSM的NB-IoT设备仅仅消耗微安级(uA)的电流,但数据传输时高达数百毫安(100mA)。工程师如何才能够精确测量IoT设备的动态电流:

  覆盖从100mA到uA的动态电流范围,如设定100mA量程,要测量uA电流显示为 100.000mA

  NB-IoT设备的电流不是静态直流电流,因此对测试采样速率和带宽有较高要求

  电磁感应通常用于大电流测量场合,如能源、电源、电力系统安培(A)级电流测量,很难分辨和测量IoT设备的mA、uA电流。

  欧姆定律线路中串联取样电阻,并测量取样电阻上的电压计算出线路电流I= V / Rshunt

  数字万用表采用的就是欧姆定律电流测量方法,以下为某知名品牌的71/2DMM的规格。是否可用该DMM测量NB-IoT的耗电呢?

  1、71/2 的分辨率是在大于1个PLC(电网周期,50Hz交流电为20mS)积分时间达到的,在0.005PLC(10uS)的积分时间时,只有 31/2 的分辨率。

  2、电流量程与取样电阻有关,即电流量程越小,取样电阻越大,最小10uA量程时,取样电阻高达1000。

  欧姆定律方法时,串联到回路的取样电阻Rshunt可能对电路造成潜在的影响,而且很难准确的评估影响大小。如评估以下DUT(MPU处理器)时,需要考虑以下因素的影响:

  如下图展示了取样电阻大小与峰值电流测量的影响,取样电阻越小,测量到的峰值电流越大。

  CX3300器件电流波形分析仪,高达16比特分辨率、1GSa/s采样率、200MHz带宽、配合独特的低噪声电压和电流探头,低至400nV电压本底噪声和150pA电流本底噪声。

  除了上述优异的硬件性能指标,CX3300器件电流波形分析仪使用是德科技高端示波器平台,Windows10操作系统,触摸屏操控、各种标准的触发和测量功能,易于使用。

  针对电流波形的分析,还为工程师提供了包括“一键功耗提取”、任意位置放大、区域游标测量等便捷、高效测量和分析功能。

  接下来给大家分享CX3300实测和分析NB-IoT和Lora模块耗电特征过程及结果,供大家参考!

  CX3300捕获NB-IoT模块从开机->

  注网->

  数据传输->

  休眠->

  PSM模式完整过程波形如下:

  该NB-IoT模块从开机到进入PSM模式完整的过程持续近70秒,CX3300最大存储深度为256MSa,工程师设定了3Msa/s的采样率,以尽量避免错失任何细节。

  通过波形分析,该NB-IoT模块最大电流越300mA,PSM模式下电流仅仅17uA,我们使用了CX3300独特的CX1102A双量程电流探头,可实现100dB的动态电流测量。

  使用CX3300“一键功耗提取”功能,自动按照电流波形特征,进行状态区分,并测量出各状态的电流大小、持续时间、区间内的最大、最小值等。

  Lora模块的分析过程与上述NB-IoT类似,但结合Lora波形,通过放大观察到更多细节!

  研发工程师对CX3300的“任意区域放大”印象深刻在保持完整的波形同时,放大局部关键位置波形,并进行测量和分析。

  通过对数据传输模式的波形分析,测量到89.3KHz,平均值70mA,峰峰值28.5mA的电流特征信号。同时在脉冲前后分别观察到Pre-Tx,和Post-Tx信号。

  再对休眠模式及数据采集模式进行波形放大,同样观察到周期为969.8ms,持续时间19.46ms的电流特征信号。该过程平均电力u9.72uA,但峰值高达30mA。

  可以预见,物联网终端即将迎来爆发式的增长,且功耗依然是工程师面临的最大挑战。因此,全面测量和分析设备在各种状态下的电流特征,并精细优化,提升产品竞争力至关重要!

  CX3300器件电流波形分析仪,兼具优异的动态、噪声和高效、便捷的分析功能,必将大大提升物联网芯片、模块、终端研发、验证、调试的效率和精准性。

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