從電源管理到無線兼容及其性能

作者：益萊儲

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

2019年是5G商用新起點，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)向多個產(chǎn)業(yè)深入滲透，如制造業(yè)、運輸業(yè)、醫(yī)療行業(yè)、消費領(lǐng)域等。

隨著創(chuàng)新步伐的加快，工程師、設(shè)計師、供應(yīng)商和制造商將面臨更快的上市壓力。對于物聯(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)實的場景和條件下進(jìn)行測試，以確保選擇正確的組件以最大限度地延長物聯(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)程部署或在移動環(huán)境中部署，因此大多數(shù)設(shè)備都會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間內(nèi)處于活動狀態(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量器件的功耗曲線，可能會遇到如何使用常用電流測量技術(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，電流可能會突然變?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)換對于某些測試儀器來說可能具有較大挑戰(zhàn)性。

雖然它們在正確的環(huán)境中使用時能夠非常精確，但是由于涉及到較大的動態(tài)范圍（可能需要多個分流器），將當(dāng)前分流器用于此類測量可能存在問題。即使使用多個分流器，也可能需要分別測試激活模式和睡眠模式，這就很難獲得電流流失的真實情況。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量動態(tài)范圍，分流器本身就有沖擊測試設(shè)備的風(fēng)險。

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

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計中經(jīng)常使用混合信號集成電路，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，它們對串音非常敏感。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，可能會對時鐘和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)產(chǎn)生不利影響的機(jī)會。 許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都要求在很小的物理結(jié)構(gòu)中高速信號通道密集，這就增加了串?dāng)_和耦合的風(fēng)險。

使用良好的信號完整性設(shè)計原理（如可能的話，采用點對點信號路由拓?fù)洌?，控制整個PDN和互連中的走線阻抗，保持返回路徑長度短以及在相鄰走線之間保持足夠的空間以減少耦合，都有助于緩解信號誠信問題。盡管遵守諸如此類的良好設(shè)計原則對于實現(xiàn)可靠的設(shè)計至關(guān)重要，但具有全面表征在整個設(shè)備中承載信號的結(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)行評估。此外，一些VNA有能力（通常通過軟件選項）對s參數(shù)測量執(zhí)行時域轉(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。
• ?動態(tài)范圍高達(dá)1V。
• ?Gigahertz運行帶寬以確保高頻噪聲不會被檢測到。
• ?1：1衰減比，可降低測量系統(tǒng)噪音。
• ?50kΩ阻抗，以減少負(fù)載。

選擇合適的工具來檢測信號和電源完整性問題，對于充分識別和解決性能不佳的原因以及驗證設(shè)計的真實性能非常重要。 VNA、電源軌探頭和示波器只是幫助實現(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)范來確保互操作性是實現(xiàn)最大市場影響力的關(guān)鍵。與EMI/EMC一樣，在設(shè)計周期的早期進(jìn)行測試可以幫助您識別可能導(dǎo)致延遲的問題，并在資格驗證階段之前增加開發(fā)設(shè)計的成本。

能夠產(chǎn)生符合標(biāo)準(zhǔn)的信號的矢量信號發(fā)生器和能夠解調(diào)這些信號的頻譜/信號分析儀，是根據(jù)所選擇的無線標(biāo)準(zhǔn)評估設(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)，同時也不會妨礙其他產(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，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)計開始就使用良好的EMI工程對策，以及在一致性測試階段之前（預(yù)一致性測試）評估設(shè)備的實際電磁兼容性能，有助于避免代價高昂的重新設(shè)計和延遲，從而影響產(chǎn)品上市時間。

在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備市場中，醫(yī)療設(shè)備市場近年來增長迅猛。能夠傳輸實時生命體征的設(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，考慮到它們在提供醫(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，共存測試已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療設(shè)備設(shè)計過程中的一個重要部分。IEEE/ANSI C63.27是其中一個標(biāo)準(zhǔn)，它概述了測試程序和方法，以驗證無線設(shè)備與運行在相同RF頻段的其他無線服務(wù)共存的能力。AAMI TIR69是另一個標(biāo)準(zhǔn)，它提供了針對醫(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（包括制造商可能無法控制的外部危險）評估無線技術(shù)。

與EMC測試一樣，完成的產(chǎn)品可能會被發(fā)送到一致性測試機(jī)構(gòu)進(jìn)行最終測試。然而，在設(shè)計過程期間的初步共存測試可用于確定設(shè)備對其他無線電信號的容限并確?？梢詫崿F(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)計建立之前重新評估性能。

頻譜/信號分析儀是EMC預(yù)一致性測試和共存測試的關(guān)鍵測試設(shè)備。盡管完整的EMC測試需要完全兼容的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)兼容性測試，包括符合CISPR和MIL-STD標(biāo)準(zhǔn)的帶寬、探測器和頻段預(yù)設(shè)，以及國際公認(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。

共存測試?yán)脤崟r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，然后使用實時快速傅里葉變換（FFT）顯示測試設(shè)備所處射頻環(huán)境的頻譜視圖。矢量信號發(fā)生器還用于生成在預(yù)期的模擬操作環(huán)境中會遇到的信號類型，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)來獲得對網(wǎng)絡(luò)的訪問。在確定如何最好地實現(xiàn)無線通信時，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的設(shè)計者面臨著許多決策。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。

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

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

許多現(xiàn)代信號發(fā)生器和信號分析儀為在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中實現(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，并且可以使用在測試設(shè)備本身或具有遠(yuǎn)程控制的PC上運行的測量應(yīng)用來分析測試信號。如果您的無線連接使用自定義設(shè)計，還有一些應(yīng)用程序可能會對您有所幫助。

結(jié)論

隨著新技術(shù)的發(fā)展和測試標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)，物聯(lián)網(wǎng)、云機(jī)器人和自動化方面的創(chuàng)新不斷發(fā)展，對測試和驗證的需求也將會增加，特別是為了支持電源管理而需要面對的現(xiàn)有的和未來的挑戰(zhàn)。所有這些新技術(shù)都需要電源和驗證。管理物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電源是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，因為即使在最具挑戰(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)荷運行。

作為全球領(lǐng)先的測試技術(shù)、租賃和資產(chǎn)優(yōu)化解決方案的供應(yīng)商，益萊儲/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)降低測試費用和資產(chǎn)成本，益萊儲/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試設(shè)備中創(chuàng)造更多的價值；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)購買需求，并從不需要的資產(chǎn)中獲得最大價值。

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