Các thiết bị IoT công suất thấp thường được dùng trong hệ thống IoT tiêu thụ điện năng ở tốc độ thay đổi cao từ micro giây đến giây, từ picoampe sang ampe. Nắm bắt được nhu cầu cần đo lường, đánh giá độ chính xác tiêu thụ năng lượng của Khách hàng, Keysight giới thiệu rộng rãi nhiều giải pháp giúp các kỹ sư thuận tiên, nhanh chóng có được kết quả đánh giá chính xác đặc tính tiêu thụ năng lượng trên các các thiết bị IOT.
PHẠM VI THIẾT KẾ VÀ KIỂM THỬ
Thách thức của Pin là không đủ tuổi thọ sử dụng cho thiết bị IoT trong vài năm. Nhưng thường Khách hàng mong đợi tuổi thọ pin được sử dụng nhiều hơn trong các ứng dụng, và một số nhà cung cấp thậm chí quảng cáo thiết bị vượt quá thời gian tuổi thọ.
Để đáp ứng những kỳ vọng này, nhà thiết kế chipset nghiên cứu thiết kế IC có chế độ ngủ sâu (deep sleep mode) để tiêu thụ dòng điện ít. Các thiết bị này có chế độ Slow Clock Speeds (nghĩa là nó có thể hoạt động với nhiều ứng dụng hơn cùng một lúc, nhưng mỗi ứng dụng có thể chạy chậm hơn một chút.), giảm các tập lệnh, điện áp pin và dòng điện tiêu thụ thấp.
Ngoài ra, để giảm mức tiêu thụ điện năng tương đối lớn trong truyền thông không dây, nhiều tiêu chuẩn xác định dùng chế độ hoạt động năng lượng thấp kết hợp mức công suất RF thấp và các giao thức kết nối đơn giản để giới hạn thời gian hoạt động. Với các nhà sản xuất mô-đun không dây, họ kéo dài tuổi thọ pin bằng cách thiết kế và thử nghiệm các chương trình về xử lý nhúng.
Với nhà thiết kế sản phẩm, việc tích hợp cảm biến, xử lý, điều khiển và nhiều thành phần giao tiếp khác để có sản phẩm cuối yêu cầu họ phải hiểu cách các thiết bị ngoại vi hoạt động và mức tiêu tiêu thụ điện năng của các thành phần. Do đó, người thiết kế cần có phần mềm bổ sung, chương trình điều khiển các thành phần tín hiệu tương tự, tín hiệu hỗn hợp, tín hiệu số và hệ thống con RF. Khi sản phẩm đi vào sản xuất, cũng cần có một bộ thiết bị kiểm tra đơn giản để đánh giá thiết bị hoạt động thích hợp nhanh chóng mà không tốn kém.
Các nhu cầu khác nhau thách thức các kỹ sư phải thực hiện các phép đo ở nhiều mức độ chi tiết khác nhau. Ví dụ nhà thiết kế về chip và mô-đun cần đánh giá nhanh mức tiêu thụ điện năng ở các trạng thái hoạt động của thiết bị khác nhau. Người thiết kế mô-đun cần đo lường nhanh mức cường độ tín hiệu trên một số chip, liên quan đến các hoạt động firmware của mô-đun. Các nhà thiết kế sản phẩm cần độ phân giải về thời gian kém chính xác hơn một chút, nhưng phải biết chính xác mức tiêu thụ điện năng tổng thể trong suốt quá trình phát triển phần cứng và phần mềm. cuối cùng bộ phận kiểm thử cần kiểm tra thiết bị hoạt động chính xác không bằng cách sử dụng một bộ thiết bị kiểm tra đơn giản.
THIẾT BỊ ĐEO IOT
Một số thiết bị IoT, chẳng hạn như thiết bị trợ thính, kính mắt kỹ thuật số và thiết bị theo dõi thể dục, được thiết kế để đeo cho người dùng. Bởi vì những thiết bị này thường ở chế độ hoạt động (không ngủ) nên chúng có có thời lượng pin ngắn hơn. Một sơ đồ khối điển hình cho một thiết bị theo dõi thể dục bên dưới.
Hình 1: Sơ đồ khối cho thiết bị đeo theo dõi việc tập thể dục
Thiết bị đeo hỗ trợ tập thể dục có cảm biến và các thành phần RF đo lường, lưu trữ và gửi dữ liệu không liên tục. Để tối ưu hóa năng lượng và khả năng sử dụng, kỹ sư thiết kế có thể sử dụng nhiều loại thiết bị và phần mềm để mô tả năng lượng các phép đo và sau đó điều chỉnh firmware CPU để tối ưu hóa năng lượng sử dụng trong mỗi lần hoạt động.
Truevolt 34470A DMM
Hình 2: Đồng hồ vạn năng 34470A
Nhà thiết kế có thể thực hiện đo dòng điện cơ bản với thiết bị đo để bàn: đồng hồ kỹ thuật số vạn năng (DMM). Ví dụ: Keysight 34470A DMM có thể đo dòng điện với độ chính xác (độ chính xác xuống đến 10 pA) và tốc độ số hóa cao (lên đến 50.000 lượt đọc mỗi giây, hoặc 20 μs trên mỗi lần đọc). Là một DMM tích hợp, nó có thể đo dòng điện tiêu thụ chính xác trong các khoảng thời gian khác nhau. Với thiết bị đang thử nghiệm (DUT) ở điều kiện trạng thái ổn định, DMM có thể đo dòng điện (hoặc điện áp) trong mạch có độ phân giải cao sử dụng các chế độ bình thường và thời gian tích hợp có thể lựa chọn, bảy bậc cường độ từ dải xuống đến 1 μA.
Ở chế độ số hóa, 34470A có thể lấy mẫu dòng điện ở tốc độ cao và tạo ra các kết quả số hoặc đồ thị để phân tích các tính năng dạng sóng. 34470A có thể quản lý chế độ chung cao điện áp và quá độ dòng điện cao, ngắn gọn. Điều này cho phép người dùng đo mạch mà không cần tham chiếu mặt đất và để phóng to ở mức thấp trạng thái hiện tại và vẫn thực hiện các phép đo chế độ ngủ chính xác.
Hình 3: Dạng sóng hiện tại được số hóa lên màn hình Keysight 34470A
InfiniiVision X-Series Oscilloscopes
Hình 4: Máy hiện sóng Keysight InfiniiVision MSO-X 6004A
Thêm đầu dò với công nghệ make-before-break (tạo kết nối mới trước khi nó ngắt kết nối trước đó) vào máy hiện sóng cho phép nhanh chóng phân tích dòng hiện tại ở các điểm trong mạch bằng công cụ quen thuộc, dễ sử dụng.
Một công cụ khác hầu hết các nhà thiết kế có là máy hiện sóng. Với nhiều thập kỷ tiến hóa đo lường và phát triển giao diện người dùng, máy hiện sóng có thể nhanh chóng được điều chỉnh để phân tích mức tiêu hao pin chỉ bằng cách sử dụng Đầu dò dòng điện series (hoặc sê-ri) N2820 làm đầu vào cho một trong các kênh của nó. Có thể là giải pháp này không chính xác như một số giải pháp khác, nhưng nó có khả năng lấy mẫu (trigger) linh hoạt và cách thức sử dụng quen thuộc của nó giúp người dùng đo kiểm tín hiệu rất nhanh.
Hình 5: Keysight N2820 Series Current Probe
Đầu dò dòng điện có độ nhạy cao Keysight N2820A có thể đo mức tiêu thụ hiện tại của các thiết bị chạy bằng pin hoặc các mạch riêng lẻ. Máy hiện sóng sử dụng N2820A cung cấp băng thông cao hơn nhiều thiết bị khác, trong trường hợp này là 500 kHz đến 3 MHz băng thông, ở dải động 20.000:1. Kết nối đặc biệt “make before break” của N2820A cho phép người dùng nhanh chóng di chuyển xung quanh mạch khi nó đang hoạt động, đặc trưng cho hành vi của các nút mạch khác nhau.
Hình 6: N2825A kết nối vào PCBA
Nếu các đầu dò được sử dụng trên máy hiện sóng tín hiệu hỗn hợp (MSO) với đầu vào số, các hành vi của mạch có thể được so sánh tương quan một cách nhanh chóng để điều khiển các trạng thái và các lệnh cho bộ vi xử lý – là nguyên nhân của các hành vi đó. Điều này cho phép các kỹ sư firmware sản phẩm trực tiếp đo lường tác động của các thay đổi phần mềm hoặc firmware đối với sự tiêu thụ năng lượng.
Hình 7: Máy hiện sóng theo dõi hành vi sạc thiết bị IoT
N6705B DC Power Analyzer and N6781A Source / Measure Unit (SMU)
Hình 8: Máy phân tích nguồn DC N6705C
Một công cụ cấp nguồn và đo dòng điện cho phép bạn nhận được thông tin chi tiết về tín hiệu của mình một cách nhanh chóng và sau đó chuyển thử nghiệm của bạn vào sản xuất với cùng một mô-đun SMU.
SMU là một bộ nguồn thông minh có thể cung cấp năng lượng cho DUT trong khi đo mức tiêu thụ hiện tại và đánh giá kết quả, bao gồm cả phân tích mức tiêu hao pin. Keysight N6705B với mô-đun N6781A SMU là một thiết bị như vậy. Nguồn cung cấp năng lượng có thể mô phỏng các điều kiện động bao gồm giải trình tự nguồn, sụt pin và các biến thể nguồn cung cấp khác nhau. Bởi vì là cấp nguồn, nó có thể đo vừa chính xác (0,025% lên đến 18 bit) và nhanh chóng (100 kHz). N6705B có thể hoạt động như một máy hiện sóng để nhà thiết kế có một mô hình hoạt động quen thuộc để nhanh chóng khám phá hành vi của mạch. Nó cũng có thể hoạt động giống như một dữ liệu ghi nhật ký để ghi lại mức tiêu thụ điện dài hạn của mạch.
N6781A SMU có nguồn cung cấp và đo lường glitch-free với phạm vi liền mạch của nó trên bốn phạm vi đo lường hiện tại. Nó có thể hoạt động như một nguồn điện áp hoặc dòng điện hoặc như một hằng số tải điện tử điện áp (CV) hoặc dòng điện không đổi (CC) với phản hồi tốt phân phối đầu ra ổn định khi thay đổi tải tốc độ cao.
Các gói phần mềm như phần mềm Keysight 14585A Điều khiển & Phân tích, có thể thêm các khả năng bổ sung cho bộ công cụ của nhà thiết kế, cho phép thiết lập kết nối nhanh chóng và đo lường các đặc điểm quan trọng nhất của thiết bị. Đối với ví dụ, phần mềm 14585A có thể thực hiện bổ sung
phân tích hàm phân phối tích lũy (CCDF), hiển thị ngắn gọn đo lường mức tiêu hao pin ngắn hạn và dài hạn
B2900 Series Precision Source / Measure Units
Hình 9. Keysight B2912A Precision Source/Measure Unit (SMU)
Thiết bị cấp nguồn đơn, đo điện áp thấp và dòng điện với độ chính xác cao sử dụng trên bàn hoặc treo trên giá.
Keysight B2900 cho phép đo chính xác nhưng hiệu quả về chi phí với giao diện đồ họa cho người dùng tốt nhất (GUI), cung cấp cho các nhà thiết kế thông tin chi tiết về các ứng dụng của họ. B2900 có hai kênh giúp giảm hệ thống dây điện phức tạp, vì nó thay thế hai nguồn điện áp DC và hai DMM.
Các SMU này có độ chính xác cao (tối thiểu 10 fA / 100 nV nguồn và đo độ phân giải), màn hình LCD màu có một số chế độ xem kèm tác vụ giúp cải thiện năng suất kiểm tra, gỡ lỗi và xác định được đặc tính ứng dụng. Các kỹ sư thiết kế và kiểm thử cũng có thể thử nghiệm bằng cách sử dụng Ngôn ngữ lập trình SCPI, sau đó có thể sử dụng lại nếu B2900 SMU được tích hợp vào hệ thống thử nghiệm cho sản xuất. Thiết bị cũng có tính năng kiểm tra giới hạn cho phép đưa ra các phán đoán tự động: đạt/không đạt trong thử nghiệm sản xuất mà không sự cần thiết phải viết một chương trình trên PC.
Ngoài SCPI, dòng B2900 có một số tùy chọn điều khiển từ xa tốn ít phí hoặc miễn phí: BenchVue, B2900A Graphical Web Interface, phần mềm Quick IV Measurement B2900A và EasyEXPERT +. Đặc biệt, phần mềm Quick IV Measurement B2900A cho phép bạn nhanh chóng cấu hình và thực hiện các phép đo và hiển thị kết quả trong bảng và đồ thị mà không cần lập trình.
Hình 10: Keysight B2900A Quick IV Measurement Software
CX3300 Series
Hình 11: Máy phân tích sóng CX3324A
Một công cụ dễ sử dụng với độ chính xác vượt trội và thu phóng ở “mọi nơi” cho phép bạn xem chi tiết dạng sóng mà bạn chưa bao giờ nhìn thấy trước đây bao gồm dòng điện tự động và cấu hình dạng sóng để có cái nhìn sâu sắc về mức tiêu hao pin.
Máy phân tích dạng sóng hiện tại là một loại thiết bị hữu ích cho các nhà thiết kế thiết bị IoT công suất thấp. Keysight CX3300 Series cung cấp các góc nhìn chi tiết nhất ở cả biên độ (100 nA đến 10 A) và thời gian (băng thông 140 MHz và tốc độ lấy mẫu lên đến 1 GHz). Các chế độ xem chi tiết này cho phép bạn xem chính xác các dạng sóng hiện tại mức thấp mà trước đây không thể phát hiện được.
Màn hình lớn và máy hiện sóng cảm ứng đa điểm của CX3300 giúp dễ dàng chụp ảnh, kiểm tra và đo lường cao phân giải dạng sóng hiện tại ở mạch, mạch phụ hoặc chip. Chức năng thu phóng “Mọi nơi” của dụng cụ cho phép bạn nhanh chóng mở rộng bất kỳ phân đoạn dạng sóng hiện tại nào ở cả trục X và Y để xem chi tiết hơn.
Hình 12: Chức năng thu phóng “Mọi nơi” mở rộng khu vực trong hình chữ nhật màu vàng ở cả X và Y, hiển thị thông tin chi tiết về dạng sóng.
Các chức năng phân tích mạnh mẽ trong Dòng điện tự động của CX3300 và Power Profiler hiển thị các phép đo không chỉ theo thời gian và dòng điện, mà còn là tổng điện tích tiêu thụ trong microcoulombs (μC).
Hình 13: Thông tin năng lượng và dòng điện tự động ngắt dạng sóng thành các phân đoạn và cung cấp phân tích chi tiết về dòng điện và tiêu thụ điện năng cho từng đoạn.
Các kênh đầu vào kỹ thuật số tùy chọn của CX3300 (CX1152A) cho phép lập trình viên chip thấy ngay tác dụng của thiết bị lập trình thay đổi nguồn pin. Các kênh kỹ thuật số này hữu ích khi bạn cần đồng bộ các phép đo hiện tại với tín hiệu kỹ thuật số, chẳng hạn như bộ điều khiển I/O của thiết bị IoT hoặc dữ liệu bus.
Kênh kỹ thuật số chạy ở tốc độ lên đến 0,5 GSa/s và hỗ trợ độ dài bản ghi tối đa 512 Mpts. Không giống như đầu dò kỹ thuật số thông thường, mỗi đầu dò CX1152A có điện trở đầu vào 10 MΩ giúp giảm thiểu dòng tải để kích hoạt đo công suất thấp chính xác.
Hình 14: Optional CX1152A digital input channels for Keysight CX3300
Sự kết hợp của các phép đo có độ chính xác cao này dễ sử dụng giúp đẩy nhanh tốc độ đưa các sản phẩm có tuổi thọ pin tối ưu ra thị trường trong khi thang thời gian được đo bằng nano giây.
Hình 15: 20ns hiển thị trên màn hình của CX3300
Kết luận
Sự phát triển nhanh chóng của IoT qua vài năm tới đang thực hiện trên bảng vẽ hiện tại. Với người tiêu dùng là khách hàng công nghiệp và y tế luôn yêu cầu các thiết bị IoT có vòng đời pin dài hơn, các nhà thiết kế và nhà sản xuất cần phân tích sâu vào các dạng sóng tiêu thụ pin để đổi mới và dài tuổi thọ pin. Keysight cung cấp nhiều loại công cụ và phần mềm để đáp ứng nhu cầu cho các nhà thiết kế IoT từ thiết kế và kiểm tra chip, mô-đun RF đến kiểm tra đánh giá sản phẩm cuối cùng với sự tự tin về thiết bị đo lường đến từ Keysight.