如何正確測量低功耗的通訊模塊的功耗？

低功耗對萬物互聯非常重要，物聯網節點基本都需要使用電池供電，我們需要正確測量無線模塊的功耗，準確估算到底需要使用多大的電池，鋰電池生產廠家來講解詳細的測量方法。

在物聯網的很多應用中，可用的電量有限。電池存在一定的自放電情況，最差情況下實際使用電量只有標稱電量的70%左右，如CR2032紐扣電池，標稱容量為200mAh,實際只有140mAh可以使用。這是一個極為正常的現象。

既然電池的電量如此有限，所以在設計產品時盡量使用低功耗的方案，降低產品功耗就顯得極為重要！我們先了解下常用測量功耗的手段，清楚了這些測量功耗的方法，才能進行產品功耗優化。

一、功耗測量

無線模塊的功耗測試主要在測量靜態電流與動態電流兩種測試。在模塊處于休眠或者待機狀態時，由于電流不變化，保持一個靜止的數值，我們稱之為靜態電流。這時候我們可以采用傳統的萬用表來進行測量，只需要在電源引腳串聯一個萬用表就可以得到所需要測量的數值，如圖 1所示。

 

圖 1 萬用表測試

 

在測量模塊正常工作時的發射電流時，整個電流是處于變化狀態，我們稱之為動態電流。萬用表響應時間比較慢，很難捕捉到變化的電流，所以不能使用萬用表測量，這時我們就需要使用示波器和電流探頭進行測量，測量結果如下圖 2。

 

圖 2 電流探頭測量結果圖

二、電池使用時長計算

通訊模塊常有兩種工作模式，工作模式和休眠模式，如下圖 3所示。

 

圖 3 平均電流

 

按照上圖所示，兩個發送包之間的發送間隔為1000ms，計算平均電流：

也就是說，1秒內平均電流大約為2.4mA，如果使用一節CR2032供電，理想情況下可以大約使用83個小時，約3.5天。如果我們將發送間隔延長到1個小時呢？類似的，可以通過上面的公式算出，1小時的平均電流僅為1.67uA。同樣一節CR2032電池可以支持設備工作119760小時，約13年！從上述這兩個例子比較看出，增加發送包之間的時間間隔，延長休眠時間，可以降低整機的功耗，使得設備能夠更長久的工作。這也是為什么無線抄表行業的產品普遍使用年限很長，因為它們每天只發送一次數據。

三、常見功耗問題與原因

保持產品的低功耗，除了增加發射間隔時間，還有就是降低產品本身的電流消耗，也就是上面提及到的 Iwork和 ISleep 。一般情況下，這兩個數值跟芯片數據手冊是一致的，但如果操作不當，就有可能出現問題。我們在測試模塊的發射電流時，發現是否安裝天線對測試結果有很大影響。在帶天線測量的時候，某產品電流為120mA，但是如果擰掉天線，測試電流飆升到近150mA。這種情況下的功耗異常主要是由模塊射頻端失配，引起內部PA工作異常導致的。因此，實際測試時務必帶載測試。

我們發現，當發送間隔越來越長，工作電流占空比降越來越小，這時影響整機功耗的最大的因素就是ISleep。ISleep越小，產品續航時間也就越長了。但是有可能測試的休眠電流偏大，那是為什么呢？

這有可能是MCU的配置引起的，一般的MCU單個IO口功耗就能達到mA級別。換句話說，如果不小心漏掉或者錯配一個IO口的狀態，就有可能破壞前期的低功耗設計。下面以某產品為例進行一個小實驗，看看這個問題影響有多大。

 

圖 4 產品A的低功耗IO配置測試結果

 

圖 5 產品A的IO配置不當測試結果

 

在圖 4和圖 5的測試過程中，同一個產品，同樣配置為模塊休眠模式，可以很明顯看到測試結果的不同。在圖 4中，所有IO都配置為輸入下拉或者上拉，測試出來的電流僅為4.9uA，而圖 5中，僅僅把其中兩個IO配置為浮空輸入，測試結果為86.1uA。

如果保持圖 3的工作電流和時長不變，發送間隔為1個小時，帶入不同的休眠電流計算。按照圖 4的結果計算，一個小時的平均電流為5.57uA，而按照圖 5則為86.77uA，相差約16倍。同樣使用一節200mAh的CR2032電池供電，產品按照圖 4的配置，可以正常工作時間約為4年，而按照圖 5配置，這個結果僅為3個月左右！

 

結論，延長無線模塊待機時間需遵循以下設計原則：

 

1、 盡可能的延長發送包間隔，降低周期內的電流；

 

2、正確的配置MCU的IO狀態。

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