Batterijen en IoT-apparaten

Hoe lang gaan ze werkelijk mee

IoT-apparatuur die moet werken op batterijen, zijn heel kritisch wat betreft het energiegebruik. De batterij moet immers zo lang mogelijk mee gaan. Om op een goede manier te kunnen bepalen hoe lang de batterij mee kan gaan, moet er gemeten worden. Maar hoe meet je het exacte stroomverbruik als je te maken krijgt met slaap- en diepe slaap-standen alsmede momenten dat er draadloze communicatie plaats moet vinden? Tektonix vertelt u dat in een white paper. Hier alvast de hoofdlijnen.

Een typisch IoT-apparaat bevat ten minste een sensor, een processor en een radiochip die in verschillende toestanden werkt en in enkele tientallen microseconden stromen verbruikt van tientallen nanoampères tot honderden milliampère. Energiebeheer is een primaire zorg bij het ontwerpen van IoT-apparaten. De levensduur van de batterij in deze apparaten kan variëren van slechts enkele dagen, zoals in wearables voor consumenten, tot wel 20 tot 30 jaar in sensorknooppunten die zich op afgelegen locaties bevinden waar het vervangen van de batterij moeilijk is. Hoewel deze apparaten mogelijk worden gemaakt door de introductie van componenten die op zeer lage energieniveaus werken, is de mogelijkheid om het energieverbruik van elk nauwkeurig te beschrijven, evenals de algehele werking op systeemniveau, essentieel om het energieverbruik te verminderen en de levensduur van de batterij te optimaliseren.

Breed dynamisch bereik
Gezien het aantal modi dat is gekoppeld aan verschillende bedrijfstoestanden, zal de verbruikte stroom in een oogwenk variëren van honderden nano-ampère tot honderden milliampère. De meeste gangbare instrumenten kunnen meestal niet een dergelijk groot verschil in stroomwaarden meten zonder te moeten omschakelen. Ook als de meter automatisch kan schakelen, zult u nooit echt alles kunnen meten. Korte stroompulsen zult u niet kunnen vastleggen met conventionele stroommeters.

Ultralage diepe slaapstroom
In veel IoT-toepassingen staat het apparaat lange tijd inactief voordat het wakker wordt om taken uit te voeren. Nieuwe ontwikkelingen op het gebied van energiezuinig beheer hebben geleid tot een breed scala van slaapmodi. Deze modi, zoals stand-by, sluimeren, slapen en diepe slaap, verbruiken stroom van tientallen microampère tot enkele tientallen nanoampère. Het nauwkeurig meten van stroom in de honderden of tientallen nanoampères is geen eenvoudige taak. Wanneer een ampèremeter wordt gebruikt, kan de meetnauwkeurigheid van lage stromen ernstig worden beïnvloed door een aantal foutbronnen:

• Verbindingen tussen het apparaat en het instrument
• Ampèremeter ingang bias stroom
• Belastingspanning van de interne serieweerstand die oplopen tot 500 mV
• Bronweerstand van het te testen apparaat
• Lekstroom van kabels en armaturen
• Stromen gegenereerd door tribo-elektrische of piëzo-elektrische effecten

In een shunt-ampèremeter wordt door het selecteren van een kleinere weerstandswaarde de invoertijdconstante verminderd en resulteert dit in een snellere reactietijd van het instrument. Het zal echter de signaal-ruisverhouding verslechteren in een poging om circuitbelasting en spanningsbelasting te minimaliseren. Bij het meten van lage stroomniveaus verslechtert het kleine signaal de signaal-ruisverhouding en heeft dit een aanzienlijke invloed op de nauwkeurigheid en gevoeligheid van de meting.
Gebruik daarom een DMM die een actieve shunttechniek gebruikt om zowel een hoge signaal-ruisverhouding als een snelle responstijd voor uw meting te bereiken.

Zend- en ontvangststroom meten
Is het IoT-apparaat actief, dan is de stroom met een standaard DMM prima te meten. Bedenk wel dat bij het gebruik van een stroommeter op basis van een shuntweerstand de spanninsval over de shunt voor een meetfout kan zorgen die over de hele levensduur van de batterij gerekend voor een aanzienlijk verschil tussen berekende en werkelijke levensduur kan zorgen.

Korte en snelle overgangen
Een actieve werkingsperiode van een IoT-apparaat is vaak kort en sporadisch, maar toch complex met meerdere bedieningsmodi. Wanneer een apparaat bijvoorbeeld uit de slaapstand naar de actieve modus ontwaakt, duurt het vaak microseconden om van slaapstand naar stand-by over te schakelen voordat het naar de actieve modus gaat, en het ontwaakproces kan moeilijk te registreren zijn met conventionele ampèremeters.
Met een standaard DMM of analoge stroommeter is het ontwaken niet te meten. Voordat het instrument een waarde heeft aangegeven, is de werkelijkheid al weer anders. Grafische meters met een hoge sampling-snelheid zijn nodig om het stroomverloop vast te kunnen leggen. DMM’s met een samplefrequentie van 50 kSamples/s (20 μs per sample) lijken voldoende, maar transiënten die slechts tientallen microseconden duren, kunnen daarmee gemist worden. Kies daarom een high-speed sampling-DMM die zowel spanning als stroom kan bemonsteren met 1 MSamples/s om elk detail in de golfvorm vast te leggen.

Bandbreedte en samplefrequentie
Het selecteren van een instrument voor het vastleggen van korte voorbijgaande gebeurtenissen, zoals het ontwaakprofiel op basis van alleen de samplefrequentie, is niet voldoende. De bandbreedte van het instrument beperkt ook het analoge signaal dat wordt bemonsterd. Als de bandbreedte te laag is, zal het instrument hoogfrequente veranderingen niet goed verwerken voordat de analoog-naar-digitaal conversie heeft plaatsgevonden. Details gaan daardoor verloren. Gebruik dus een high-speed sampling DMM met een voldoende hoge analoge meetbandbreedte.
Bedenk ook dat het meetinstrument moet beschikken over een groot geheugen. Voor het verkrijgen van een goed beeld van het stroomverbruik, zal veelal over een langere tijd gemeten moeten worden. Pas dan kun je een beeld krijgen van de werking in de praktijk.

Energiebeheer
Om een nauwkeurige vermogensanalyse uit te kunnen voeren, heeft u instrumenten nodig die niet alleen de meting uitvoeren, maar ook automatisch de golfvorm evalueren op basis van de ontwerpvereisten. Conventionele instrumenten zijn echter niet oplossingsgericht. Veel ampèremeters kunnen alleen huidige waarden registreren en veel DMM’s kunnen slechts een reeks stroom- of spanningsmetingen opslaan of alleen basiswaarden zoals minimum, maximum en gemiddelde. Metingen die met een oscilloscoop worden uitgevoerd, bieden meer geavanceerde numerieke rekenfuncties zoals RMS-berekeningen, duty-cycle en andere wiskundige bewerkingen. Om tegemoet te komen aan de snelle en variërende aard van de golfvorm, zijn instrumenten met een grafisch display ideaal voor het vastleggen van de werking van IoT-apparaten en bieden ze de mogelijkheid om de werking van het apparaat onmiddellijk te ‘zien’. Vaak hebben ze ook geavanceerde functies zoals gating waarmee u de metingen kunt beperken tot het schermgebied of cursors die extra controle mogelijk maken, zodat u sneller en dieper inzicht krijgt in de werking van uw IoT-apparaat. Een grafische bemonsterings-DMM die tegelijkertijd de werking van uw apparaat kan vastleggen en weergeven, en geautomatiseerde berekeningen kan uitvoeren op complexe golfvormen, is daarom aan te raden voor het meten van het totale energieplaatje.

Voeding
Om een betrouwbaar beeld te krijgen van het energiegebruik hebt u een voedingsbron nodig die kan worden geregeld. Omdat een batterij niet kan worden geregeld of een bepaalde spanning kan behouden, moet een goede voeding worden gebruikt om het apparaat te testen. Dit moet en exemplaar zijn die geen problemen geeft bij de sterke, vaak transiënt vormige wisselingen in de belasting.
Een manier om de levensduur van de batterij te beoordelen, is door een echte batterij te gebruiken en daarmee te bepalen hoe lang het IoT-appraat kan functioneren. Dit leidt echter tot twee problemen: Wachten tot de batterij leeg is, kan erg tijdrovend zijn en het ontwikkelingswerk vertragen en deze testmethode is niet nauwkeurig en specifieke testomstandigheden zijn moeilijk te repliceren. Een meer ideale oplossing om uw IoT-apparaat onder de meest realistische omstandigheden te testen, is het gebruik van een stroombron die een batterij simuleert. Met deze oplossing kunt u uw ontwerp testen onder een breed scala van omstandigheden, van volledige batterijlading tot bijna volledige ontlading. Als u een batterijtype moet selecteren, is het essentieel dat u verschillende soorten batterijen kunt simuleren.

Tot slot
Het spreekt voor zich dat Tektronix niet alleen de informatie over dit onderwerp beschikbaar wil stellen, maar graag ook meetinstrumenten wil verkopen. In het leveringsprogramma van Keithley treft u diverse meetinstrumenten aan die voor dit onderzoek bruikbaar zijn. Voorbeelden zijn de DMM7510 grafische multimeter en de 2281S batterijsimulator. Uitgebreide informatie hierover is te vinden op internet. Links naar informatie treft u aan op onze site.