Ottenere il giusto equilibro tra dimensioni della batteria e funzionalità di un dispositivo IoT richiede una conoscenza della durata della batteria e del consumo di corrente più approfondita rispetto a quanto fornito dalle tecniche di misura tradizionali.
L’assorbimento di corrente
I progettisti devono caratterizzare l’assorbimento energetico del dispositivo in ogni modalità operativa, in termini di livello di corrente richiesta e durata di ogni fase. Questa informazione consente di operare degli aggiustamenti a livello di sistema. Si può misurare l’assorbimento di corrente tramite un multimetro digitale, ma questo approccio è limitato dato che il multimetro lavora al meglio con un fondoscala fisso e su segnali stazionari. L’assorbimento dinamico di un dispositivo IoT può portare a letture instabili mentre il dispositivo commuta tra diversi stati. Anche nei multimetri con funzionalità di cambio della portata automatica, la misura richiede tempo, da 10 a 100 ms, per cambiare fondoscala e attendere l’assestamento dei risultati. Tale tempo può risultare più lungo della durata della fase attiva del dispositivo. Un’altra limitazione del multimetro è legata alla presenza della resistenza di shunt nel circuito e alla misura della corrispondente caduta di tensione ai suoi capi. Al fine di misurare piccole correnti, il valore della resistenza di shunt deve essere elevato. Analogamente, per misurare correnti elevate, si riduce il valore della resistenza di shunt. In ogni caso, la caduta di tensione ai capi di tale resistenza si sottrae alla tensione della batteria. Di conseguenza, durante la misura della corrente in fase di riposo, è possibile che la tensione erogata al carico scenda talmente in basso, durante i picchi di corrente, da resettare il dispositivo. La soluzione è impiegare un fondoscala elevato che permette di rilevare i picchi di corrente. Pur consentendo di acquisire i picchi e le fasi di riposo, vi è un prezzo da pagare: l’errore dovuto all’offset che sul fondoscala più ampio può avere un impatto considerevole nella misura di piccole correnti. Ad esempio, se l’errore di misura è 0,005% su un fondoscala di 100 mA, cioè pari a 5 μA, esso corrisponde ad un errore del 50% su un segnale di 10 μA e del 500% per un segnale di 1 μA. La maggior parte dei sensori passa la maggior parte del tempo in stato di riposo e quindi tale errore può avere un impatto significativo sulla stima della durata della batteria. Una soluzione a questo problema è offerta dall’unità di alimentazione e misura N6781A di Keysight per l’analisi dell’assorbimento delle batterie, da inserire nel sistema di potenza modulare N6700 di Keysight o l’analizzatore di alimentazioni Dc N6705, per applicazioni di ricerca e sviluppo. Questo modulo offre una funzione di cambio scala automatica e trasparente delle misure di corrente che non introduce fluttuazioni della tensione di uscita. Il modulo riesce a misurare picchi di corrente con dinamiche elevate e correnti di quiescenza con un fondo scala di 1 mA caratterizzato da un errore di offset di 100 nA. Tale offset rappresenta il 10% di un segnale di 1 μA o l’1% di 10 μA, largamente inferiore a quello di un multimetro digitale.
Gli assorbimenti impulsivi
Insieme alle misure nello stato di riposo, i progettisti devono misurare l’assorbimento di corrente e la durata delle varie fasi operative di un dispositivo IoT. Gli oscilloscopi sono ottimi strumenti per misurare segnali che cambiano nel tempo, ma, durante le fasi attive, il dispositivo può assorbire decine di mA. Si potrebbero impiegare delle pinze amperometriche, ma queste sono caratterizzate di un rumore di fondo di circa 2,5 mArms e dalla necessità di effettuare un azzeramento frequente. Le sonde di corrente tradizionali non sono adatte a misurare questi livelli di corrente, a causa della loro limitata sensibilità e derive temporali. Dato che le sonde di corrente misurano il campo elettrico di un filo, la loro sensibilità può essere aumentata avvolgendo diverse spire del filo attorno alla pinza, in modo da incrementare il campo. Questo consente agli utenti di catturare l’assorbimento di corrente di un dispositivo IoT durante la fase attiva. Tuttavia, dato che la corrente passa da livelli molto alti a livelli molto bassi, per calcolare l’effettiva potenza media, la forma d’onda deve essere esportata e integrata nel tempo. Gli oscilloscopi sono in grado di acquisire correttamente un singolo evento, ma il tutto diventa più difficile se si vuole verificare quante volte il sensore si attiva durante un certo intervallo di tempo e quanto frequentemente invia una trasmissione dati. Infatti i sensori possono avere cicli operativi anche di ore, che quindi sono difficilmente campionabili con un oscilloscopio. L’analizzatore di forme d’onda di corrente CX3300 di Keysight è basato su circuiti a basso rumore e a larga banda in modo da permettere la visualizzazione di forme d’onda di corrente altrimenti non misurabili. Supporta sensori di correnti da 100 pA a 10 A con una frequenza di campionamento di 1 GSa/s, banda analogica di 200 MHz, dinamica di 14/16 bit e profondità di memoria di 256 milioni di punti in versioni a due o quattro canali. I dispositivi IoT stanno diventando sempre più complessi e, quindi, sempre maggiore sforzo si concentra nella gestione del consumo energetico e nell’implementazione di strategie di risparmio energetico. La comprensione dettagliata del profilo temporale di corrente assorbita richiede quindi una risoluzione nell’ordine dei nA. Come anticipato, i progettisti hanno impiegato degli oscilloscopi con sonde di corrente per questo scopo, ma uno strumento dedicato come il CX3300 può offrire le seguenti caratteristiche:
- elevata sensibilità per misurare correnti molto deboli, ad esempio, in modalità di riposo;
- elevata dinamica per misurare transizioni tra modalità attive e di riposo;
- ampio intervallo di frequenze a partire dalla continua;
- misure accurate senza il rischio di saturazione del nucleo ferromagnetico, tipico delle sonde;
- visualizzazione dell’effettiva forma d’onda di corrente e non di una sua media.
