低功耗時代如何正確測量無線通訊模塊功耗？

      低功耗，是萬物互聯(lián)中極為重要的一個概念，絕大多數的物聯(lián)網節(jié)點都需要使用電池供電，而只有正確測量無線模塊的功耗，才能準確估算到底5年續(xù)航需要使用多大的電池，本文將為您講解詳細的測量方法。

      在物聯(lián)網的很多應用中，終端設備通常是電池供電，可用的電量有限。由于電池存在自放電，最差情況下實際使用電量只有標稱電量的70%左右，如常用的CR2032紐扣電池，一節(jié)電池標稱容量為200mAh,實際可能只有140mAh可以使用。

      既然電池的電量如此有限，那么降低產品功耗就顯得很重要了！下面就先了解下常用的測量功耗的手段，只有清楚了這些測量功耗的方法，才能進行產品功耗優(yōu)化。

      一、功耗測量

      無線模塊的功耗測試主要在測量電流，這里又分為靜態(tài)電流與動態(tài)電流兩種不同的測試。在模塊處于休眠或者待機狀態(tài)時，由于電流不變化，保持一個靜止的數值，我們稱之為靜態(tài)電流。這時候我們可以采用傳統(tǒng)的萬用表來進行測量，只需要在電源引腳串聯(lián)一個萬用表就可以得到所需要測量的數值，如圖 1所示。

圖 1 萬用表測試

      在測量模塊正常工作模式的發(fā)射電流時，由于信號發(fā)射所需要的時間很短，整個電流是處于變化狀態(tài)，我們稱之為動態(tài)電流。萬用表響應時間比較慢，很難捕捉到變化的電流，所以不能使用萬用表測量，對于變化電流，需要使用示波器和電流探頭進行測量，測量結果如下圖 2。

圖 2 電流探頭測量結果圖

二、電池使用時長計算

      無線模塊常有兩種工作模式，工作模式和休眠模式，如下圖 3所示。

圖 3 平均電流

上文數據來源于我司LM400TU產品，按照上圖所示，兩個發(fā)送包之間的發(fā)送間隔為1000ms，計算平均電流：

也就是說，1秒內平均電流大約為2.4mA，如果使用一節(jié)CR2032供電，理想情況下可以大約使用83個小時，約3.5天。如果我們將工作時長延長為1個小時呢？類似的，可以通過上面的公式算出，1小時的平均電流僅為1.67uA。同樣一節(jié)CR2032電池可以支持設備工作119760小時，約13年！從上述這兩個例子比較看出，增加發(fā)送包之間的時間間隔，延長休眠時間，可以降低整機的功耗，使得設備能夠更長久的工作。這也是為什么無線抄表行業(yè)的產品普遍使用年限很長，因為它們每天只發(fā)送一次數據。

      三、常見功耗問題與原因

      為了保證產品的低功耗，除了增加包間隔時間，還有就是降低產品本身的電流消耗，也就是上面提及到的I_work和I_sleep。正常情況下，這兩個數值應該跟芯片數據手冊一致，但如果用戶使用不當，有可能出現(xiàn)問題。我們在測試模塊的發(fā)射電流時，發(fā)現(xiàn)是否安裝天線對測試結果有很大影響。在帶天線測量的時候，某產品電流為120mA，但是如果擰掉天線，測試電流飆升到近150mA。這種情況下的功耗異常主要是由模塊射頻端失配，引起內部PA工作異常導致的。因此，我們建議客戶在評估無線模塊的時候，務必帶載測試。

      在前面的計算中，當發(fā)送間隔越來越長，工作電流占空比降越來越小，這時影響整機功耗的最大的因素就是I_work和I_sleep越小，產品續(xù)航時間也就越長了。這個數值一般都是與芯片數據手冊接近，但是我們經常遇到客戶反饋測試的休眠電流偏大，那是為什么呢？

      這個問題往往是由MCU的配置引起的，一般的MCU單個IO口功耗就能達到mA級別。換句話說，如果不小心漏掉或者錯配一個IO口的狀態(tài)，很有可能就將破壞前期的低功耗設計。下面以某產品為例進行一個小實驗，看看這個問題影響有多大。

圖 4 產品A的低功耗IO配置測試結果

圖 5 產品A的IO配置不當測試結果

      在圖 4和圖 5的測試過程中，測試對象是同一個產品，同樣配置為模塊休眠模式，可以很明顯看到測試結果的不同。在圖 4中，所有IO都配置為輸入下拉或者上拉，測試出來的電流僅為4.9uA，而圖 5中，僅僅把其中兩個IO配置為浮空輸入，測試結果為86.1uA。

      如果保持圖 3的工作電流和時長不變，發(fā)送間隔為1個小時，帶入不同的休眠電流計算。按照圖 4的結果計算，一個小時的平均電流為5.57uA，而按照圖 5則為86.77uA，相差約16倍。同樣使用一節(jié)200mAh的CR2032電池供電，產品按照圖 4的配置，可以正常工作時間約為4年，而按照圖 5配置，這個結果僅為3個月左右！

      從上文實例可以看出，要盡可能延長無線模塊的使用時長需遵循以下設計原則：

      1、 在滿足客戶應用需求的條件下，盡可能的延長發(fā)送包間隔，降低工作周期內的工作電流；

      2、 一定要正確的配置MCU的IO狀態(tài)，不同廠家的MCU可能有不同配置，詳細參考官方的資料。

      LM400TU是ZLG致遠電子研發(fā)設計的一款低功耗LoRa核心模塊，模塊采用源自軍用通信系統(tǒng)的LoRa調制技術設計，結合獨有的頻譜擴寬處理技術，完美解決了小數據量在復雜環(huán)境中的超遠距離通信問題。LoRa組網透傳模塊內嵌自組網透明傳輸協(xié)議，支持用戶一鍵自組網，并且提供專用抄表協(xié)議、CLAA協(xié)議以及LoRaWAN協(xié)議，用戶無需在協(xié)議上花費大量時間，即可直接開發(fā)應用。

圖 6  LoRa核心模塊