從電源管理到無線兼容及其性能

作者：益萊儲(chǔ)

在未來幾年，AI、5G、IoT和工業(yè)自動(dòng)化（IIoT）的進(jìn)步將加快行業(yè)變革和創(chuàng)新的步伐?？缧袠I(yè)的各種物聯(lián)網(wǎng)傳感器將用于自動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程設(shè)備控制。在萬物互聯(lián)的時(shí)代，連接將變得司空見慣，到2020年，Gartner預(yù)計(jì)將有超過200億臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備投入使用。

2019年是5G商用新起點(diǎn)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，5G增加的帶寬、更快的速度和更低的延遲將帶來以前被認(rèn)為不可能的應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)將持續(xù)向多個(gè)產(chǎn)業(yè)深入滲透，如制造業(yè)、運(yùn)輸業(yè)、醫(yī)療行業(yè)、消費(fèi)領(lǐng)域等。

隨著創(chuàng)新步伐的加快，工程師、設(shè)計(jì)師、供應(yīng)商和制造商將面臨更快的上市壓力。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，每代產(chǎn)品都需要更小、更強(qiáng)大、更易于配置，并且比以前的設(shè)計(jì)使用更少的功率。由于許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都是由電池供電的，節(jié)能至關(guān)重要，必須使用低功率組件，并且不使用時(shí)要確保這些組件斷電。為了優(yōu)化電池壽命，組件必須在現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景和條件下進(jìn)行測(cè)試，以確保選擇正確的組件以最大限度地延長(zhǎng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的壽命。

|| 物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)＃1 - 電源管理

由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常是遠(yuǎn)程部署或在移動(dòng)環(huán)境中部署，因此大多數(shù)設(shè)備都會(huì)使用電池作為主要電源。了解設(shè)備的功耗曲線，是確保設(shè)備使用壽命期間最大可靠性和性能的關(guān)鍵。

為了完全表征物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的功耗，必須在通常遇到的所有操作條件下進(jìn)行測(cè)量。由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備旨在最大限度地降低功耗，因此它們可能僅在短時(shí)間內(nèi)處于活動(dòng)狀態(tài)，其大部分使用壽命都處于“睡眠”模式。

在所有工作模式下精確測(cè)量器件的功耗曲線，可能會(huì)遇到如何使用常用電流測(cè)量技術(shù)（如分流器、數(shù)字萬用表DMM或電流探頭）的挑戰(zhàn)。在睡眠模式下，電流可能處于‘nA’或‘uA’范圍內(nèi)；在激活模式下，例如在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，電流可能會(huì)突然變?yōu)椤癿A”到“A”范圍。此外，當(dāng)前需求中的這些較大的峰值通常在微秒內(nèi)發(fā)生，功耗轉(zhuǎn)換對(duì)于某些測(cè)試儀器來說可能具有較大挑戰(zhàn)性。

雖然它們?cè)谡_的環(huán)境中使用時(shí)能夠非常精確，但是由于涉及到較大的動(dòng)態(tài)范圍（可能需要多個(gè)分流器），將當(dāng)前分流器用于此類測(cè)量可能存在問題。即使使用多個(gè)分流器，也可能需要分別測(cè)試激活模式和睡眠模式，這就很難獲得電流流失的真實(shí)情況。此外，由于固有的電壓下降，如果選擇過大的值來最大限度地測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍，分流器本身就有沖擊測(cè)試設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)。

|| 物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)＃2 - 信號(hào)和電源完整性

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用混合信號(hào)集成電路，其中包括傳感器/ MEMS，同一集成電路上以較低功耗工作的模擬和數(shù)字信號(hào)，它們對(duì)串音非常敏感。低功率分配網(wǎng)絡(luò)通常具有非常小的工作容差，這增加了電源軌上的紋波和噪聲干擾，可能會(huì)對(duì)時(shí)鐘和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)產(chǎn)生不利影響的機(jī)會(huì)。 許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都要求在很小的物理結(jié)構(gòu)中高速信號(hào)通道密集，這就增加了串?dāng)_和耦合的風(fēng)險(xiǎn)。

使用良好的信號(hào)完整性設(shè)計(jì)原理（如可能的話，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信號(hào)路由拓?fù)洌?，控制整個(gè)PDN和互連中的走線阻抗，保持返回路徑長(zhǎng)度短以及在相鄰走線之間保持足夠的空間以減少耦合，都有助于緩解信號(hào)誠(chéng)信問題。盡管遵守諸如此類的良好設(shè)計(jì)原則對(duì)于實(shí)現(xiàn)可靠的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，但具有全面表征在整個(gè)設(shè)備中承載信號(hào)的結(jié)構(gòu)的電氣性能的能力也至關(guān)重要。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）是表征任何互連線或傳輸線電性能的最常用工具之一。影響信號(hào)完整性的重要特性，如插入損耗、衰減、反射、串?dāng)_、延遲以及差分到共模轉(zhuǎn)換，都可以通過為應(yīng)用程序正確配置的VNA進(jìn)行評(píng)估。此外，一些VNA有能力（通常通過軟件選項(xiàng)）對(duì)s參數(shù)測(cè)量執(zhí)行時(shí)域轉(zhuǎn)換，該轉(zhuǎn)換將顯示通道的脈沖響應(yīng)。

關(guān)于電源完整性，最近開發(fā)的電源軌探頭有助于在電源軌上進(jìn)行超低噪音測(cè)量，它連同示波器一起使用。根據(jù)制造商的不同，這些探頭的特點(diǎn)一般包括：

• ?高達(dá)60V的偏移，以確保電源軌完全移位到示波器顯示屏上。
• ?動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)1V。
• ?Gigahertz運(yùn)行帶寬以確保高頻噪聲不會(huì)被檢測(cè)到。
• ?1：1衰減比，可降低測(cè)量系統(tǒng)噪音。
• ?50kΩ阻抗，以減少負(fù)載。

選擇合適的工具來檢測(cè)信號(hào)和電源完整性問題，對(duì)于充分識(shí)別和解決性能不佳的原因以及驗(yàn)證設(shè)計(jì)的真實(shí)性能非常重要。 VNA、電源軌探頭和示波器只是幫助實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一些工具。

|| 物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)＃3 - 無線標(biāo)準(zhǔn)兼容性

無論您正在開發(fā)通過Zigbee或Wi-Fi進(jìn)行近距離連接的設(shè)備，還是通過LoRa或LTE-M進(jìn)行長(zhǎng)距離連接設(shè)備，您所選擇的無線協(xié)議將決定您的設(shè)備連接的方式，以及與世界共享數(shù)據(jù)的方式。

通過遵循無線標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范來確?；ゲ僮餍允菍?shí)現(xiàn)最大市場(chǎng)影響力的關(guān)鍵。與EMI/EMC一樣，在設(shè)計(jì)周期的早期進(jìn)行測(cè)試可以幫助您識(shí)別可能導(dǎo)致延遲的問題，并在資格驗(yàn)證階段之前增加開發(fā)設(shè)計(jì)的成本。

能夠產(chǎn)生符合標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)的矢量信號(hào)發(fā)生器和能夠解調(diào)這些信號(hào)的頻譜/信號(hào)分析儀，是根據(jù)所選擇的無線標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估設(shè)備性能的理想工具。

|| 物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)＃4 - EMI / EMC和共存測(cè)試

我們可以將EMC定義為衡量產(chǎn)品是否按預(yù)期執(zhí)行的指標(biāo)，同時(shí)也不會(huì)妨礙其他產(chǎn)品在共享操作環(huán)境中按預(yù)期執(zhí)行的能力。EMI還可以被定義為阻止設(shè)備按預(yù)期執(zhí)行的任何電磁能量。隨著無線通信設(shè)備的數(shù)量持續(xù)呈指數(shù)增長(zhǎng)，操作環(huán)境中的電磁噪聲也相應(yīng)增加，其性能因干擾而降低的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加。

雖然使用預(yù)先認(rèn)證的RF模塊有助于降低已完成設(shè)備未通過法規(guī)EMC一致性測(cè)試的可能性，但它并不能保證最終產(chǎn)品符合相關(guān)要求。

從設(shè)計(jì)開始就使用良好的EMI工程對(duì)策，以及在一致性測(cè)試階段之前（預(yù)一致性測(cè)試）評(píng)估設(shè)備的實(shí)際電磁兼容性能，有助于避免代價(jià)高昂的重新設(shè)計(jì)和延遲，從而影響產(chǎn)品上市時(shí)間。

在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備市場(chǎng)中，醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)近年來增長(zhǎng)迅猛。能夠傳輸實(shí)時(shí)生命體征的設(shè)備，無論是固定的、可穿戴的還是可植入的，在醫(yī)院和家庭護(hù)理環(huán)境中越來越普遍。與其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備一樣，醫(yī)療設(shè)備也有可能成為操作環(huán)境干擾的來源和接收者。然而，考慮到它們?cè)谔峁┽t(yī)療服務(wù)方面的用途，如果它們不能按預(yù)期操作，就可能造成危及生命的后果。

由于這些無線設(shè)備的關(guān)鍵功能，共存測(cè)試已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)重要部分。IEEE/ANSI C63.27是其中一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，它概述了測(cè)試程序和方法，以驗(yàn)證無線設(shè)備與運(yùn)行在相同RF頻段的其他無線服務(wù)共存的能力。AAMI TIR69是另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，它提供了針對(duì)醫(yī)療設(shè)備的指導(dǎo)，以及如何根據(jù)操作環(huán)境中的潛在危險(xiǎn)（包括制造商可能無法控制的外部危險(xiǎn)）評(píng)估無線技術(shù)。

與EMC測(cè)試一樣，完成的產(chǎn)品可能會(huì)被發(fā)送到一致性測(cè)試機(jī)構(gòu)進(jìn)行最終測(cè)試。然而，在設(shè)計(jì)過程期間的初步共存測(cè)試可用于確定設(shè)備對(duì)其他無線電信號(hào)的容限并確保可以實(shí)現(xiàn)可接受的操作水平。如果在早期發(fā)現(xiàn)性能問題，就可以采用緩解技術(shù)，并在最終設(shè)計(jì)建立之前重新評(píng)估性能。

頻譜/信號(hào)分析儀是EMC預(yù)一致性測(cè)試和共存測(cè)試的關(guān)鍵測(cè)試設(shè)備。盡管完整的EMC測(cè)試需要完全兼容的EMI接收器，但許多現(xiàn)代分析儀可配備軟件包，以幫助促進(jìn)輻射和傳導(dǎo)發(fā)射的預(yù)兼容性測(cè)試，包括符合CISPR和MIL-STD標(biāo)準(zhǔn)的帶寬、探測(cè)器和頻段預(yù)設(shè)，以及國(guó)際公認(rèn)的EMC標(biāo)準(zhǔn)限制的限制線，以及創(chuàng)建用戶可選限制的選項(xiàng)。

共存測(cè)試?yán)脤?shí)時(shí)頻譜分析儀，并利用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）連續(xù)采樣頻譜，然后使用實(shí)時(shí)快速傅里葉變換（FFT）顯示測(cè)試設(shè)備所處射頻環(huán)境的頻譜視圖。矢量信號(hào)發(fā)生器還用于生成在預(yù)期的模擬操作環(huán)境中會(huì)遇到的信號(hào)類型，如WiFi和藍(lán)牙。

|| 物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)賽＃5 - 無線連接的射頻性能

雖然一些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將使用有線通信，但大多數(shù)將依賴某種形式的無線技術(shù)來獲得對(duì)網(wǎng)絡(luò)的訪問。在確定如何最好地實(shí)現(xiàn)無線通信時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的設(shè)計(jì)者面臨著許多決策。其中最重要的是確定使用哪種無線通信技術(shù)和協(xié)議（WiMax、Wi-Fi，Zigbee、BLE、LoRa、Z-Wave和NB-IoT等） - 以及是否使用預(yù)制RF無線模塊或內(nèi)部設(shè)計(jì)。

無論如何解決這些設(shè)計(jì)問題，RF通信的性能必須在真實(shí)條件下使用適合該任務(wù)的設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。一些常見的測(cè)試包括：

頻譜分析儀/信號(hào)分析儀通常是發(fā)射機(jī)測(cè)量的首選工具，而信號(hào)發(fā)生器通常用于產(chǎn)生接收機(jī)測(cè)量的信號(hào)，網(wǎng)絡(luò)分析儀通常用于天線測(cè)量。

許多現(xiàn)代信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)分析儀為在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)的大多數(shù)常見無線通信標(biāo)準(zhǔn)提供軟件應(yīng)用支持。它可以生成基于標(biāo)準(zhǔn)的波形，并且可以使用在測(cè)試設(shè)備本身或具有遠(yuǎn)程控制的PC上運(yùn)行的測(cè)量應(yīng)用來分析測(cè)試信號(hào)。如果您的無線連接使用自定義設(shè)計(jì)，還有一些應(yīng)用程序可能會(huì)對(duì)您有所幫助。

結(jié)論

隨著新技術(shù)的發(fā)展和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)，物聯(lián)網(wǎng)、云機(jī)器人和自動(dòng)化方面的創(chuàng)新不斷發(fā)展，對(duì)測(cè)試和驗(yàn)證的需求也將會(huì)增加，特別是為了支持電源管理而需要面對(duì)的現(xiàn)有的和未來的挑戰(zhàn)。所有這些新技術(shù)都需要電源和驗(yàn)證。管理物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電源是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，因?yàn)榧词乖谧罹咛魬?zhàn)性的環(huán)境中，這些設(shè)備也必須始終處于通電狀態(tài)并滿負(fù)荷運(yùn)行。

作為全球領(lǐng)先的測(cè)試技術(shù)、租賃和資產(chǎn)優(yōu)化解決方案的供應(yīng)商，益萊儲(chǔ)/Electro Rent始終專注于提供創(chuàng)新服務(wù)，并持續(xù)改進(jìn)，以優(yōu)化客戶在測(cè)試設(shè)備上的投資。憑借在各行業(yè)中有效地為全球公司機(jī)構(gòu)降低測(cè)試費(fèi)用和資產(chǎn)成本，益萊儲(chǔ)/Electro Rent通過處理未充分利用、技術(shù)陳舊或不需要的設(shè)備，幫助眾多組織從其測(cè)試設(shè)備中創(chuàng)造更多的價(jià)值；通過租用或租賃來管理設(shè)備的高峰需求；減少重復(fù)的資產(chǎn)購(gòu)買需求，并從不需要的資產(chǎn)中獲得最大價(jià)值。

關(guān)于益萊儲(chǔ)

益萊儲(chǔ)/Electro Rent是全球領(lǐng)先的測(cè)試和技術(shù)解決方案供應(yīng)商，專業(yè)從事測(cè)試設(shè)備租賃、二手設(shè)備銷售、資產(chǎn)管理的公司，世界各地設(shè)立測(cè)試實(shí)驗(yàn)室超過20個(gè)，管理租賃設(shè)備10.7萬臺(tái)，總資產(chǎn)規(guī)模達(dá)11億美元，442位測(cè)試設(shè)備專家，服務(wù)范圍超過100多個(gè)國(guó)家、地區(qū)。我們是是德科技、安立、泰克、羅德與施瓦茨、福祿克以及VIAVI、EXFO等全球設(shè)備租賃合作伙伴。