NB-IoT/Lora的电流特征和低功耗测量及特征分析！

近年来、物联网的应用领域越来越广泛，涉及智能家居、交通、生产、农业、能源、环境监测、医疗监护等。据统计，2018年物联网终端数突破100亿，并预计2020年将达到300亿。

然而，尽管物联网连接终端数已经如此巨大，且保持高速增长，物联网的发展依然面临诸多的约束和挑战，如：

物联网应用场景和价值定位不清晰

安全及隐私的顾虑

商用运用模式不确定

核心技术及标准混乱、兼容性差

譬如，通信标准和地址分配是物联网设备的关键因素，如无线标准就有Bluetooth，NFC，Lora，SigFox,NB-IoT, LTE-Advanced等。

如上图所示，从覆盖范围、功耗、数据速率、成本、延时、网络成熟度等，对蜂窝网络3G/4G/5G 、局域网ZigBee、以及LPWAN三种无线标准进行了比较。

	蜂窝网络3/4/5G	ZigBee/Bluetooth	LPWAN
覆盖范围
网络成熟度
数据速率
成本
功耗

 

可以看出，以NB-IoT、Lora、SigFox为代表的LPWAN （LowPower Wide AreaNetwork）标准，结合物联网应用特征——长工作寿命，甚至某些应用要求10年、20年，优先考虑设备的低功耗。

同时保持覆盖范围大，单个设备成本低、对数据速率要求低的特点，成为众多的物联网应用的首先方案。

值得提醒的是，物联网由于设备数量巨大、且分散在广泛的区域，对设备的可靠性、稳定性要求更高，否则可能造成企业无法承担的维护或召回成本。

接下来我们就重点讨论NB-IoT/Lora的电流特征和低功耗测量及特征分析！

请大家先想想看，NB-IoT/Lora为什么能做到大的覆盖范围，却可以做到低功耗？

没错，因为覆盖范围大，NB-IoT的峰值功耗其实与4G/5G蜂窝网络并没有太大差别。而是设计了一种称之为PSM(PowerSavingMode)省电模式——NB-IoT设备只有在需要数据传输时才唤醒，其余的时间进入PSM模式（改模式比常规的手机待机功耗还要低很多），而PSM模式两次唤醒时间最大可达300小时。

从耗电特征看，在PSM的NB-IoT设备仅仅消耗微安级（uA）的电流，但数据传输时高达数百毫安（100mA）。工程师如何才能够精确测量IoT设备的动态电流：

覆盖从100mA到uA的动态电流范围，如设定100mA量程，要测量uA电流显示为 100.000mA

NB-IoT设备的电流不是静态直流电流，因此对测试采样速率和带宽有较高要求

NB-IoT设备从工作状态至PSM状态，往往持续较长时间

快速定位NB-IoT设备在各种状态、或异常状态的电流特征

最常用的电流测量设备有数字万用表和示波器，它们电流测量原理如下图所示：

电磁感应——通常用于大电流测量场合，如能源、电源、电力系统安培（A）级电流测量，很难分辨和测量IoT设备的mA、uA电流。

欧姆定律——线路中串联取样电阻，并测量取样电阻上的电压计算出线路电流I= V / Rshunt

*务必注意，电流测量精度取决于电压测量精度 及 取样电阻的精度:

电压测量分辨率不变，被测电流越小，取样电阻阻值Rshunt要求越大；

保持取样电阻Rshunt不变，被测电流越小，电压测量分辨率要求越高。

数字万用表采用的就是欧姆定律电流测量方法，以下为某知名品牌的71/2DMM的规格。是否可用该DMM测量NB-IoT的耗电呢？

指标解读为：

1、71/2 的分辨率是在大于1个PLC（电网周期，50Hz交流电为20mS）积分时间达到的，在0.005PLC（10uS）的积分时间时，只有 31/2 的分辨率。

2、电流量程与取样电阻有关，即电流量程越小，取样电阻越大，最小10uA量程时，取样电阻高达1000Ω。

欧姆定律方法时，串联到回路的取样电阻Rshunt可能对电路造成潜在的影响，而且很难准确的评估影响大小。如评估以下DUT（MPU处理器）时，需要考虑以下因素的影响：

取样电阻限制了电路的峰值电流

电源或电池的输出阻抗的影响

线路中等效寄生电容和电阻的影响

如下图展示了取样电阻大小与峰值电流测量的影响，取样电阻越小，测量到的峰值电流越大。

CX3300器件电流波形分析仪，高达16比特分辨率、1GSa/s采样率、200MHz带宽、配合独特的低噪声电压和电流探头，低至400nV电压本底噪声和150pA电流本底噪声。

除了上述优异的硬件性能指标，CX3300器件电流波形分析仪使用是德科技高端示波器平台，Windows10操作系统，触摸屏操控、各种标准的触发和测量功能，易于使用。

针对电流波形的分析，还为工程师提供了包括“一键功耗提取”、任意位置放大、区域游标测量等便捷、高效测量和分析功能。

     

接下来给大家分享CX3300实测和分析NB-IoT和Lora模块耗电特征过程及结果，供大家参考！

CX3300捕获NB-IoT模块从开机->注网->数据传输->休眠->PSM模式完整过程波形如下：

该NB-IoT模块从开机到进入PSM模式完整的过程持续近70秒，CX3300最大存储深度为256MSa,工程师设定了3Msa/s的采样率，以尽量避免错失任何细节。

通过波形分析，该NB-IoT模块最大电流越300mA,PSM模式下电流仅仅17uA，我们使用了CX3300独特的CX1102A双量程电流探头，可实现100dB的动态电流测量。

使用CX3300“一键功耗提取”功能，自动按照电流波形特征，进行状态区分，并测量出各状态的电流大小、持续时间、区间内的最大、最小值等。

并可将提取的“耗电特征”波形及数值保存到XPS文件中。

Lora模块的分析过程与上述NB-IoT类似，但结合Lora波形，通过放大观察到更多细节！

Lora模块从开机->数据传输->休眠->数据采集过程的波形如下，

研发工程师对CX3300的“任意区域放大”印象深刻——在保持完整的波形同时，放大局部关键位置波形，并进行测量和分析。

通过对数据传输模式的波形分析，测量到89.3KHz，平均值70mA，峰峰值28.5mA的电流特征信号。同时在脉冲前后分别观察到Pre-Tx,和Post-Tx信号。

再对休眠模式及数据采集模式进行波形放大，同样观察到周期为969.8ms，持续时间19.46ms的电流特征信号。该过程平均电力u9.72uA,但峰值高达30mA。

可以预见，物联网终端即将迎来爆发式的增长，且功耗依然是工程师面临的最大挑战。因此，全面测量和分析设备在各种状态下的电流特征，并精细优化，提升产品竞争力至关重要！

CX3300器件电流波形分析仪，兼具优异的动态、噪声和高效、便捷的分析功能，必将大大提升物联网芯片、模块、终端研发、验证、调试的效率和精准性。