Оценка токопотребления батарейных радиоканальных устройств

Пути разработчика и маркетолога постоянно пересекаются, но эти люди редко бывают друзьями. Задача первого что-нибудь сотворить, найти лучший способ решения технического задания в ходе раздумий, расчётов и анализов; задача второго – сие творение продать. Не успеешь и глазом моргнуть, как маркетологи припишут лишний нолик к точности измерений, добавят децибел к выходной громкости или увеличат время автономной работы микропотребляющего устройства на несколько лет.

Время жизни элемента питания – один из краеугольных вопросов, который необходимо разрешить при разработке микропотребляющих, в частности радиоканальных устройств. Они, как правило, расходуют микроамперы, а время работы в активном режиме составляет мили или даже микросекунды. Но и длительность жизни от батареи должна составлять годы. Когда такое устройство просыпается, с элемента питания забирается некоторый заряд, расходуемый на измерения полезного параметра, передачу данных через радиоканал, индикацию состояния и т. п. А далее, снова наступает глубокий сон. Возникает законный вопрос, как определить потребление электронного устройства, которое спит большую часть своей жизни.

Материал статьи основан на испытаниях реального радиодатчика, работающего на частоте 868 МГц с модуляцией 2(G)FSK. Для лучшего понимания последующих измерений, приведём общую структурную схему исследуемого устройства.

Рисунок 1 - Структурная схема радиодатчика — Рисунок 1 — Структурная схема радиодатчика

Важным моментом, в данном случае, является наличие на плате DC/DC преобразователя с выходным напряжением 2,2 В. Такое решение помогло снизить токи утечки компонентов и зафиксировать их потребление на определённом уровне. Согласно логике работы на плате каждые 5 секунд вспыхивает светодиод, измерение полезных параметров происходит раз в 10 секунд, а данные передаются через радиоканал раз минуту. Теоретический профиль токопотребления для одного периода радиообмена показан на рисунке 2:

Рисунок 2 - Теоретическая диаграмма токопотребления радиодатчика — Рисунок 2 — Теоретическая диаграмма токопотребления радиодатчика

При измерении тока, мы сталкиваемся с несколькими трудностями. Во-первых, для устройства характерен импульсный характер токопотребления, причём импульсы могут носить непериодический характер, а их длительность варьироваться. Во-вторых, в активном режиме ток изменяется в очень широком диапазоне. Например, на измерение температуры или напряжения требуются десятки микроампер, а при радиообмене расходуются миллиамперы. В-третьих, скорость разряда батареи главным образом зависит от уровня выходной мощности трансивера, которая регулируется программой на основе измеренного уровня RSSI пакета подтверждения ACK. В рассматриваемом случае, радиодатчик, находящийся рядом с базовой станцией будет работать с минимальной выходной мощностью 0 дБм, в то же время радиодатчик, размещенный в подвале, настроит выходную мощность в 16 дБм.

О пересчёте дБм в мВт

Значение выходной мощности указывается в единицах дБм (децибел-милливатт) относительно уровня в 1 мВт. Соотношение для перевода такое:

$P_{дБм} = 10 lg\frac{P[мВт]}{ 1[мВт]}$

В таблице представлен результат расчета для часто используемых значений.

Мощность, дБм	Мощность, мВт
0	1
1	1,258925412
2	1,584893192
3	1,995262315
4	2,511886432
5	3,16227766
6	3,981071706
7	5,011872336
8	6,309573445
9	7,943282347
10	10
11	12,58925412
12	15,84893192
13	19,95262315
14	25,11886432
15	31,6227766
16	39,81071706
17	50,11872336
18	63,09573445
19	79,43282347
20	100

Амплитуду пиков тока и их длительность можно увидеть разве что на шунте при помощи осциллографа, однако измерить потребление устройства мультиметром не удастся; необходимо найти более изощрённый способ. Предлагаю начать анализ с теоретического расчёта, а затем проверить полученные результаты на практике.

Теоретический расчёт

Ориентируясь на данные даташитов и схемотехнику радиодатчика, определяем теоретическое токопотребление. В рассматриваемом случае устройство работает под управлением диспетчера задач. Каждая задача запускается с заданным периодом, время её выполнения известно. Полученную информацию объединяем в таблицу:

Задача	Ток I, мА	Время выполнения t, с	Период запуска, c	Разы за период, k	Среднее, мА
Мигание светодиода	2,314	0,005	10	6,0	0,00116
Измерение параметра 1	0,23	0,0004	20	3,0	0,00000
Измерение параметра 2	113	0,0006	5	12,0	0,01356
Измерение параметра 3	0,18	0,0009	120	0,5	0,00000
Радио TX	32	0,01	60	1,0	0,00533
Радио RX	9,2	0,01	60	1,0	0,00153
Спящий режим	0,005	59,9731	60	1,0	0,00500

Среднее потребление рассчитываем как сумму средних каждой из задач, делённых на общий период (в данном случае 60 секунд). Необходимо учесть, что некоторые задачи выполняются за период несколько раз, их вклад в общее среднее необходимо умножить на соответствующий коэффициент k. Получаем такую формулу:

$I_{ср}=\frac{I_1t_1k_1+I_2t_2k_2+...+I_nt_nk_n}{T}≈0,026\,мА$

Время работы от батареи рассчитываем при помощи соотношений:

$t_{часы}=\frac{ёмкость\, батареи}{среднее\,потребление} \quad(1)$ $t_{годы}=\frac{t_{часы}}{365*24}\quad(2)$

Заявленная ёмкость используемого в радиодатчике литиевого аккумулятора составляет 2400 мАч. Значит, общее время автономной работы составит:

$t_{часы}=\frac{2400}{0,026}=92307$

Пересчитывая результат в годы, получаем ориентировочно 10 лет. Такие значения обнадёживают, но вряд ли им стоит верить, без должной проверки на практике.

Измерения при помощи Nordic Power Profiler Kit II

Существуют удобные инструменты для решения обозначенной задачи. В среднем ценовом сегменте можно найти Joulescope Energy Analyzer, MSP430FR4133 LaunchPad, Nordiс Power Profiler Kit II и другие приборы. Кит от Nordic был давно добавлен в список избранных товаров Aliexpress и, в конце концов, пополнил измерительную лабораторию. Данный отладочный набор, построенный на базе микроконтроллера nRF52840 с ядром Cortex M4, имеет следующие характеристики:

Режимы работы	Источник тока, амперметр
Диапазоном измеряемых токов	от 200 нА до 1 А
Регулируемое напряжение в режиме источника тока	От 0,8 до 5 В
Функция логического анализатора	8 каналов
Точность измерений	10% (100 nA – 50 mA), 15% (50 mA – 1 A)

Настройка Power Profile Kit II на операционной системе windows 10 тривиальна. После скачивания и установки приложения nRF Connect for Desktop подключаем отладочный набор к USB. При первом подключении в системе установятся необходимые драйвера, также приложение nRF Connect обновит firmware до последней версии.

Когда все подготовлено, переходим к измерениям. На рисунке показан профиль потребления радиодатчика в течении одной минуты. Power Profile Kit II используется в режиме амперметра.

Рисунок 3 - Профиль потребления с выходной мощностью трансивера 0 дБм — Рисунок 3 — Профиль потребления с выходной мощностью трансивера 0 дБм

Полученный профиль близок к тому, что было изображено теоретически на рисунке 2. Неожиданностью стали пики с частотой порядка 350 Гц из-за работы DC/DC преобразователя. Уменьшаем время выборки до 100 мс, чтобы внимательно все рассмотреть.

Рисунок 4 - Пики потребления от DC/DC преобразователя — Рисунок 4 — Пики потребления от DC/DC преобразователя

Ещё один волнующий вопрос – регулировка выходной мощности трансивера. На рисунке 3 со средним током 26,5 мкА радиотрансивер работал с мощностью 0 дБм. Программно устанавливаем выходную мощность на максимальном уровне 16 дБм и повторяем измерения.

Рисунок 5 - Профиль потребления с выходной мощностью трансивера 16 дБм — Рисунок 5 — Профиль потребления с выходной мощностью трансивера 16 дБм

На диаграмме рисунка 5, радиотрансивер работает с максимальной выходной мощностью. Однако, увеличение высоты пиков наблюдается только на четвертом периоде обмена. Вероятно, такая особенность связана с графическим отображением информации, т.е. график построенный nRF Connect недостаточно точно передает реальный профиль потребления. Фактически, сразу после регистрации кит корректно фиксировал рост среднего значение тока до уровня 39…40 мкА. Рассчитаем время жизни батареи на основании экспериментальных данных при помощи соотношений (1) и (2). Получаем ориентировочно 10 лет при выходной мощности 0 дБм и 6,9 лет при выходной мощности 16 дБм. Полученные результаты сопоставимы с теоретически рассчитанными значениями, что вселяет некоторую уверенность в их справедливости.

Пред тем, как переходить к выводам, сделаем ещё один шаг и ответим на вопрос: как измерить токопотребление, когда покупка Power Profile Kit II или аналогичного инструмента нецелесообразна? Тем, кто не занимается микропотребляющими устройствами на регулярной основе для решения обсуждаемой задачи поможет обычный ионистор.

Измерения при помощи ионистора

Суть эксперимента сводится к тому, чтобы запитать радиодатчик от заряженного ионистора и проследить за графиком разряда. Потребуется подготовка, ведь заявленная ёмкость ионистора наверняка не соответствует действительной. Попробуем определить истинную ёмкость самостоятельно.

Известно, что мгновенное значение тока, протекающего через конденсатор, рассчитывается при помощи соотношения:

$I=C\,\frac{dU}{dt}\quad(3)$

Но если для заряда/разряда конденсатора использовать постоянный ток, то можно записать:

$I_{const} = C\,\frac{ΔU}{Δt}=C\,\frac{U_2-U_1}{t_2-t_1}\quad(4)$

Откуда выражаем ёмкость как:

$C=I_{const}\,\frac{t_2-t_1}{U_2-U_1}\quad(5)$

Чтобы дальнейший расчёт ёмкости был честным, необходимо чтобы ток заряда/разряда был выше тока собственной утечки хотя бы на несколько порядков. Желательно, чтобы ток утечки также оставался постоянным. Характеристика саморазряда выбранного ионистора с заявленной ёмкостью 1,5 Ф показана на рисунке 6. Измерения напряжения можно проводить логирующим мультиметром, либо руками через определённые промежутки времени. В моём случае использовался самодельный приборчик, позволяющий измерять напряжение с настроенным периодом. Из графика видно, что начиная где-то с напряжения 3,3 В разрядная характеристика становится практически линейной, т.е. ток собственной утечки ионистора стабилизируется.

Рисунок 6 - Разрядная характеристика ионистора — Рисунок 6 — Разрядная характеристика ионистора

Подключаем ионистор через ограничительный резистор к стабилизированному источнику напряжения и устанавливаем значение 3,0 В. Через некоторое время ионистор полностью зарядился, а стабильно потребляемый ток, как-раз и будет током собственной утечки. В данном случае он составил 11,5 мкА.

Теперь можно перейти к измерению ёмкости. Будем разряжать ионистор источником тока на 2 мА, который больше тока утечки примерно на два порядка. В рассматриваемом случае источник тока был собран на микросхеме LM234, но можно использовать более простой вариант, например, на биполярных транзисторах. Результаты экспериментов записываем в таблицу:

Время	Напряжение ионистора
15:00:00	2,947
15:16:00	1,409

Ток будет иметь отрицательный знак, т.к. ионистор разряжается. Используя соотношение 5, получаем:

$C=-2*10^{-3}\,\frac{16*60}{1.4-2.94}≈1.25\,Ф$

И так, истинная ёмкость ионистора составила 1,25 Ф. Остался последний шаг – разрядить ионистор при помощи радиодатчика. Разрядная характеристика показана на рисунке 7.

Рисунок 7 - Питание радиодатчика от ионистора — Рисунок 7 — Питание радиодатчика от ионистора

Обратите внимание, что ниже напряжения 2,2 В наблюдается резкий рост потребления, момент, когда перестал работать DC/DC преобразователь радиодатчика. А далее идет высадка заряда током утечки. Используя разность во времени и напряжении, а также, вычисленную ёмкость, рассчитываем средний разрядный ток:

$I_{ср}=1,25*\frac{1}{32000}=39\,мкА$

Не забываем, что собственный ток утечки ионистора равен 11,5 мкА, а потому среднее потребление радиодатчика составит 27,5 мкА. Пересчитывая в года, снова получаем ориентировочные 10 лет работы.

В итоге

Рассмотренные методы проверки потребления радиодатчика дали сравнимые результаты. Теоретический расчёт проводился для максимальной выходной мощности трансивера и оказался сильно завышен в лучшую сторону. Оценки токопотребления при помощи Power Profile Kit II и ионистора при минимальной мощности радиопередачи оказались практически идентичны. Видимо, можно доверять полученным значениям с точностью в 10…15%.

Сколько же проработает радиодатчик, что сообщим маркетингу? Когда столкнетесь с подобной ситуацией, действуйте следующими образом. Если вы честный инженер и понимаете, что в реальности возможен разброс характеристик электронных компонентов, сложные условия эксплуатации, а ёмкость батареи окажется ниже номинальной – скажите, что радиодатчик проработает 5 лет. Если вы лишний раз не хотите брать на себя ответственность, сообщите результаты опытных измерений – 6…7 лет. Но если от результатов вашего ответа зависит годовая премия, или чего доброго, повышение по службе – кричите во всю глотку про достигнутый инновационный результат, срок автономной работы 10 лет!

В конце концов, даже если радиодатчик проработает 3 года, кто спустя столько времени вспомнит, чего вы там говорили.

Ресурсы

1. Программное обеспечение Power Profiler Kit II;

2. Руководство пользователя Power Profiler Kit II.

ссылка на оригинал статьи https://habr.com/ru/articles/857058/