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和工業自動化（IIoT）的進步將加快行業變革和創新的步伐。跨行業的各種物聯網傳感器將用于自動數據傳輸和遠程設備控制。在萬物互聯的時代，連接將變得司空見慣，到2020年，Gartner預計將有超過200億臺物聯網設備投入使用。

2019年是5G商用新起點，結合物聯網設備，5G增加的帶寬、更快的速度和更低的延遲將帶來以前被認為不可能的應用，物聯網將持續向多個產業深入滲透，如制造業、運輸業、醫療行業、消費領域等。

隨著創新步伐的加快，工程師、設計師、供應商和制造商將面臨更快的上市壓力。對于物聯網設備，每代產品都需要更小、更強大、更易于配置，并且比以前的設計使用更少的功率。由于許多物聯網設備都是由電池供電的，節能至關重要，必須使用低功率組件，并且不使用時要確保這些組件斷電。為了優化電池壽命，組件必須在現實的場景和條件下進行測試，以確保選擇正確的組件以最大限度地延長物聯網設備的壽命。

|| 物聯網挑戰＃1 - 電源管理

由于物聯網設備通常是遠程部署或在移動環境中部署，因此大多數設備都會使用電池作為主要電源。了解設備的功耗曲線，是確保設備使用壽命期間最大可靠性和性能的關鍵。

為了完全表征物聯網設備的功耗，必須在通常遇到的所有操作條件下進行測量。由于物聯網設備旨在最大限度地降低功耗，因此它們可能僅在短時間內處于活動狀態，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（如分流器、數字萬用表DMM或電流探頭）的挑戰。在睡眠模式下，電流可能處于‘nA’或‘uA’范圍內；在激活模式下，例如在傳輸數據時，電流可能會突然變為“mA”到“A”范圍。此外，當前需求中的這些較大的峰值通常在微秒內發生，功耗轉換對于某些測試儀器來說可能具有較大挑戰性。

雖然它們在正確的環境中使用時能夠非常精確，但是由于涉及到較大的動態范圍（可能需要多個分流器），將當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范圍，分流器本身就有沖擊測試設備的風險。

|| 物聯網挑戰＃2 - 信號和電源完整性

物聯網設備設計中經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字信號，它們對串音非常敏感。低功率分配網絡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，可能會對時鐘和數字數據產生不利影響的機會。 許多物聯網設備都要求在很小的物理結構中高速信號通道密集，這就增加了串擾和耦合的風險。

使用良好的信號完整性設計原理（如可能的話，采用點對點信號路由拓撲），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計原則對于實現可靠的設計至關重要，但具有全面表征在整個設備中承載信號的結構的電氣性能的能力也至關重要。

矢量網絡分析儀（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、串擾、延遲以及差分到共模轉換，都可以通過為應用程序正確配置的VNA進行評估。此外，一些VNA有能力（通常通過軟件選項）對s參數測量執行時域轉換，該轉換將顯示通道的脈沖響應。

關于電源完整性，最近開發的電源軌探頭有助于在電源軌上進行超低噪音測量，它連同示波器一起使用。根據制造商的不同，這些探頭的特點一般包括：

• ?高達60V的偏移，以確保電源軌完全移位到示波器顯示屏上。
• ?動態范圍高達1V。
• ?Gigahertz運行帶寬以確保高頻噪聲不會被檢測到。
• ?1：1衰減比，可降低測量系統噪音。
• ?50kΩ阻抗，以減少負載。

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這一目標的一些工具。

|| 物聯網挑戰＃3 - 無線標準兼容性

無論您正在開發通過Zigbee或Wi-Fi進行近距離連接的設備，還是通過LoRa或LTE-M進行長距離連接設備，您所選擇的無線協議將決定您的設備連接的方式，以及與世界共享數據的方式。

通過遵循無線標準的規范來確保互操作性是實現最大市場影響力的關鍵。與EMI/EMC一樣，在設計周期的早期進行測試可以幫助您識別可能導致延遲的問題，并在資格驗證階段之前增加開發設計的成本。

能夠產生符合標準的信號的矢量信號發生器和能夠解調這些信號的頻譜/信號分析儀，是根據所選擇的無線標準評估設備性能的理想工具。

|| 物聯網挑戰＃4 - EMI / EMC和共存測試

我們可以將EMC定義為衡量產品是否按預期執行的指標，同時也不會妨礙其他產品在共享操作環境中按預期執行的能力。EMI還可以被定義為阻止設備按預期執行的任何電磁能量。隨著無線通信設備的數量持續呈指數增長，操作環境中的電磁噪聲也相應增加，其性能因干擾而降低的風險也隨之增加。

雖然使用預先認證的RF模塊有助于降低已完成設備未通過法規EMC一致性測試的可能性，但它并不能保證最終產品符合相關要求。

從設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（預一致性測試）評估設備的實際電磁兼容性能，有助于避免代價高昂的重新設計和延遲，從而影響產品上市時間。

在物聯網設備市場中，醫療設備市場近年來增長迅猛。能夠傳輸實時生命體征的設備，無論是固定的、可穿戴的還是可植入的，在醫院和家庭護理環境中越來越普遍。與其他物聯網設備一樣，醫療設備也有可能成為操作環境干擾的來源和接收者。然而，考慮到它們在提供醫療服務方面的用途，如果它們不能按預期操作，就可能造成危及生命的后果。

由于這些無線設備的關鍵功能，共存測試已經成為物聯網醫療設備設計過程中的一個重要部分。IEEE/ANSI C63.27是其中一個標準，它概述了測試程序和方法，以驗證無線設備與運行在相同RF頻段的其他無線服務共存的能力。AAMI TIR69是另一個標準，它提供了針對醫療設備的指導，以及如何根據操作環境中的潛在危險（包括制造商可能無法控制的外部危險）評估無線技術。

與EMC測試一樣，完成的產品可能會被發送到一致性測試機構進行最終測試。然而，在設計過程期間的初步共存測試可用于確定設備對其他無線電信號的容限并確保可以實現可接受的操作水平。如果在早期發現性能問題，就可以采用緩解技術，并在最終設計建立之前重新評估性能。

頻譜/信號分析儀是EMC預一致性測試和共存測試的關鍵測試設備。盡管完整的EMC測試需要完全兼容的EMI接收器，但許多現代分析儀可配備軟件包，以幫助促進輻射和傳導發射的預兼容性測試，包括符合CISPR和MIL-STD標準的帶寬、探測器和頻段預設，以及國際公認的EMC標準限制的限制線，以及創建用戶可選限制的選項。

共存測試利用實時頻譜分析儀，并利用高速模數轉換器（ADC）連續采樣頻譜，然后使用實時快速傅里葉變換（FFT）顯示測試設備所處射頻環境的頻譜視圖。矢量信號發生器還用于生成在預期的模擬操作環境中會遇到的信號類型，如WiFi和藍牙。

|| 物聯網挑戰賽＃5 - 無線連接的射頻性能

雖然一些物聯網設備將使用有線通信，但大多數將依賴某種形式的無線技術來獲得對網絡的訪問。在確定如何最好地實現無線通信時，物聯網設備的設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和協議（WiMax、Wi-Fi，Zigbee、BLE、LoRa、Z-Wave和NB-IoT等） - 以及是否使用預制RF無線模塊或內部設計。

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

頻譜分析儀/信號分析儀通常是發射機測量的首選工具，而信號發生器通常用于產生接收機測量的信號，網絡分析儀通常用于天線測量。

許多現代信號發生器和信號分析儀為在物聯網設備中實現的大多數常見無線通信標準提供軟件應用支持。它可以生成基于標準的波形，并且可以使用在測試設備本身或具有遠程控制的PC上運行的測量應用來分析測試信號。如果您的無線連接使用自定義設計，還有一些應用程序可能會對您有所幫助。

結論

隨著新技術的發展和測試標準的演進，物聯網、云機器人和自動化方面的創新不斷發展，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有的和未來的挑戰。所有這些新技術都需要電源和驗證。管理物聯網設備的電源是一項具有挑戰性的任務，因為即使在最具挑戰性的環境中，這些設備也必須始終處于通電狀態并滿負荷運行。

作為全球領先的測試技術、租賃和資產優化解決方案的供應商，益萊儲/Electro Rent始終專注于提供創新服務，并持續改進，以優化客戶在測試設備上的投資。憑借在各行業中有效地為全球公司機構降低測試費用和資產成本，益萊儲/Electro Rent通過處理未充分利用、技術陳舊或不需要的設備，幫助眾多組織從其測試設備中創造更多的價值；通過租用或租賃來管理設備的高峰需求；減少重復的資產購買需求，并從不需要的資產中獲得最大價值。

關于益萊儲

益萊儲/Electro Rent是全球領先的測試和技術解決方案供應商，專業從事測試設備租賃、二手設備銷售、資產管理的公司，世界各地設立測試實驗室超過20個，管理租賃設備10.7萬臺，總資產規模達11億美元，442位測試設備專家，服務范圍超過100多個國家、地區。我們是是德科技、安立、泰克、羅德與施瓦茨、福祿克以及VIAVI、EXFO等全球設備租賃合作伙伴。