NB-IoT/Lora的電流特征和低功耗測(cè)量及特征分析！

近年來、物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，涉及智能家居、交通、生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)、能源、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療監(jiān)護(hù)等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)突破100億，并預(yù)計(jì)2020年將達(dá)到300億。

然而，盡管物聯(lián)網(wǎng)連接終端數(shù)已經(jīng)如此巨大，且保持高速增長(zhǎng)，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展依然面臨諸多的約束和挑戰(zhàn)，如：

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景和價(jià)值定位不清晰

安全及隱私的顧慮

商用運(yùn)用模式不確定

核心技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)混亂、兼容性差

譬如，通信標(biāo)準(zhǔn)和地址分配是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的關(guān)鍵因素，如無線標(biāo)準(zhǔn)就有Bluetooth，NFC，Lora，SigFox,NB-IoT, LTE-Advanced等。

如上圖所示，從覆蓋范圍、功耗、數(shù)據(jù)速率、成本、延時(shí)、網(wǎng)絡(luò)成熟度等，對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)3G/4G/5G 、局域網(wǎng)ZigBee、以及LPWAN三種無線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了比較。

可以看出，以NB-IoT、Lora、SigFox為代表的LPWAN （LowPower Wide AreaNetwork）標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用特征——長(zhǎng)工作壽命，甚至某些應(yīng)用要求10年、20年，優(yōu)先考慮設(shè)備的低功耗。

同時(shí)保持覆蓋范圍大，單個(gè)設(shè)備成本低、對(duì)數(shù)據(jù)速率要求低的特點(diǎn)，成為眾多的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的首先方案。

值得提醒的是，物聯(lián)網(wǎng)由于設(shè)備數(shù)量巨大、且分散在廣泛的區(qū)域，對(duì)設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性要求更高，否則可能造成企業(yè)無法承擔(dān)的維護(hù)或召回成本。

接下來我們就重點(diǎn)討論NB-IoT/Lora的電流特征和低功耗測(cè)量及特征分析！

請(qǐng)大家先想想看，NB-IoT/Lora為什么能做到大的覆蓋范圍，卻可以做到低功耗？

沒錯(cuò)，因?yàn)楦采w范圍大，NB-IoT的峰值功耗其實(shí)與4G/5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)并沒有太大差別。而是設(shè)計(jì)了一種稱之為PSM(PowerSavingMode)省電模式——NB-IoT設(shè)備只有在需要數(shù)據(jù)傳輸時(shí)才喚醒，其余的時(shí)間進(jìn)入PSM模式（改模式比常規(guī)的手機(jī)待機(jī)功耗還要低很多），而PSM模式兩次喚醒時(shí)間最大可達(dá)300小時(shí)。

從耗電特征看，在PSM的NB-IoT設(shè)備僅僅消耗微安級(jí)（uA）的電流，但數(shù)據(jù)傳輸時(shí)高達(dá)數(shù)百毫安（100mA）。工程師如何才能夠精確測(cè)量IoT設(shè)備的動(dòng)態(tài)電流：

覆蓋從100mA到uA的動(dòng)態(tài)電流范圍，如設(shè)定100mA量程，要測(cè)量uA電流顯示為 100.000mA

NB-IoT設(shè)備的電流不是靜態(tài)直流電流，因此對(duì)測(cè)試采樣速率和帶寬有較高要求

NB-IoT設(shè)備從工作狀態(tài)至PSM狀態(tài)，往往持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間

快速定位NB-IoT設(shè)備在各種狀態(tài)、或異常狀態(tài)的電流特征

最常用的電流測(cè)量設(shè)備有數(shù)字萬用表和示波器，它們電流測(cè)量原理如下圖所示：

電磁感應(yīng)——通常用于大電流測(cè)量場(chǎng)合，如能源、電源、電力系統(tǒng)安培（A）級(jí)電流測(cè)量，很難分辨和測(cè)量IoT設(shè)備的mA、uA電流。

歐姆定律——線路中串聯(lián)取樣電阻，并測(cè)量取樣電阻上的電壓計(jì)算出線路電流I= V / Rshunt

*務(wù)必注意，電流測(cè)量精度取決于電壓測(cè)量精度 及 取樣電阻的精度:

電壓測(cè)量分辨率不變，被測(cè)電流越小，取樣電阻阻值Rshunt要求越大；

保持取樣電阻Rshunt不變，被測(cè)電流越小，電壓測(cè)量分辨率要求越高。

數(shù)字萬用表采用的就是歐姆定律電流測(cè)量方法，以下為某知名品牌的71/2DMM的規(guī)格。是否可用該DMM測(cè)量NB-IoT的耗電呢？

指標(biāo)解讀為：

1、71/2 的分辨率是在大于1個(gè)PLC（電網(wǎng)周期，50Hz交流電為20mS）積分時(shí)間達(dá)到的，在0.005PLC（10uS）的積分時(shí)間時(shí)，只有 31/2 的分辨率。

2、電流量程與取樣電阻有關(guān)，即電流量程越小，取樣電阻越大，最小10uA量程時(shí)，取樣電阻高達(dá)1000Ω。

歐姆定律方法時(shí)，串聯(lián)到回路的取樣電阻Rshunt可能對(duì)電路造成潛在的影響，而且很難準(zhǔn)確的評(píng)估影響大小。如評(píng)估以下DUT（MPU處理器）時(shí)，需要考慮以下因素的影響：

取樣電阻限制了電路的峰值電流

電源或電池的輸出阻抗的影響

線路中等效寄生電容和電阻的影響

如下圖展示了取樣電阻大小與峰值電流測(cè)量的影響，取樣電阻越小，測(cè)量到的峰值電流越大。

CX3300器件電流波形分析儀，高達(dá)16比特分辨率、1GSa/s采樣率、200MHz帶寬、配合獨(dú)特的低噪聲電壓和電流探頭，低至400nV電壓本底噪聲和150pA電流本底噪聲。

除了上述優(yōu)異的硬件性能指標(biāo)，CX3300器件電流波形分析儀使用是德科技高端示波器平臺(tái)，Windows10操作系統(tǒng)，觸摸屏操控、各種標(biāo)準(zhǔn)的觸發(fā)和測(cè)量功能，易于使用。

針對(duì)電流波形的分析，還為工程師提供了包括“一鍵功耗提取”、任意位置放大、區(qū)域游標(biāo)測(cè)量等便捷、高效測(cè)量和分析功能。

接下來給大家分享CX3300實(shí)測(cè)和分析NB-IoT和Lora模塊耗電特征過程及結(jié)果，供大家參考！

CX3300捕獲NB-IoT模塊從開機(jī)->注網(wǎng)->數(shù)據(jù)傳輸->休眠->PSM模式完整過程波形如下：

該NB-IoT模塊從開機(jī)到進(jìn)入PSM模式完整的過程持續(xù)近70秒，CX3300最大存儲(chǔ)深度為256MSa,工程師設(shè)定了3Msa/s的采樣率，以盡量避免錯(cuò)失任何細(xì)節(jié)。

通過波形分析，該NB-IoT模塊最大電流越300mA,PSM模式下電流僅僅17uA，我們使用了CX3300獨(dú)特的CX1102A雙量程電流探頭，可實(shí)現(xiàn)100dB的動(dòng)態(tài)電流測(cè)量。

使用CX3300“一鍵功耗提取”功能，自動(dòng)按照電流波形特征，進(jìn)行狀態(tài)區(qū)分，并測(cè)量出各狀態(tài)的電流大小、持續(xù)時(shí)間、區(qū)間內(nèi)的最大、最小值等。

并可將提取的“耗電特征”波形及數(shù)值保存到XPS文件中。

Lora模塊的分析過程與上述NB-IoT類似，但結(jié)合Lora波形，通過放大觀察到更多細(xì)節(jié)！

Lora模塊從開機(jī)->數(shù)據(jù)傳輸->休眠->數(shù)據(jù)采集過程的波形如下，

研發(fā)工程師對(duì)CX3300的“任意區(qū)域放大”印象深刻——在保持完整的波形同時(shí)，放大局部關(guān)鍵位置波形，并進(jìn)行測(cè)量和分析。

通過對(duì)數(shù)據(jù)傳輸模式的波形分析，測(cè)量到89.3KHz，平均值70mA，峰峰值28.5mA的電流特征信號(hào)。同時(shí)在脈沖前后分別觀察到Pre-Tx,和Post-Tx信號(hào)。

再對(duì)休眠模式及數(shù)據(jù)采集模式進(jìn)行波形放大，同樣觀察到周期為969.8ms，持續(xù)時(shí)間19.46ms的電流特征信號(hào)。該過程平均電力u9.72uA,但峰值高達(dá)30mA。

可以預(yù)見，物聯(lián)網(wǎng)終端即將迎來爆發(fā)式的增長(zhǎng)，且功耗依然是工程師面臨的最大挑戰(zhàn)。因此，全面測(cè)量和分析設(shè)備在各種狀態(tài)下的電流特征，并精細(xì)優(yōu)化，提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力至關(guān)重要！

CX3300器件電流波形分析儀，兼具優(yōu)異的動(dòng)態(tài)、噪聲和高效、便捷的分析功能，必將大大提升物聯(lián)網(wǎng)芯片、模塊、終端研發(fā)、驗(yàn)證、調(diào)試的效率和精準(zhǔn)性。