Analyseur de courant Keysight CX3300

IoT : bien mesurer les courants pour optimiser la durée de vie des batteries des objets connectés

  • Prévoir la durée de vie de la batterie d’un objet connecté à Internet (IoT) est plus difficile qu’il n’y paraît.
  • Mesurer précisément des courants qui varient dans un rapport 1 sur 100 000 est une tâche complexe mais indispensable.
  • Des outils tels que les multimètres numériques (DMM), les oscilloscopes et les analyseurs de formes d’onde dédiés peuvent être utilisés pour de telles mesures, à condition de prendre en compte leurs limites.
  • Des outils de mesure dédiés peuvent faciliter le processus de prévision de la durée de vie de la batterie. Ils fournissent des informations complémentaires, telles que les mesures de Joule, qui peuvent aider les développeurs à optimiser la conception et la consommation de modules et appareils IoT.

 

Par Sridharan Vengadaraman, Marketing Brand Manager – EMEAI, Keysight Technologies

Des études prévoient qu’il y aura 50 milliards d’appareils pour l’Internet des Objets (IoT) d’ici 2020. Ce qu’on ne précise pas est le nombre de personnes qui seront employées pour changer les piles dans tous ces objets. Alors que les experts en logistique travaillent sur ce problème, les concepteurs d’appareils IoT font de leur mieux pour essayer de réduire la consommation d’énergie de leurs conceptions.

L’approche typique pour préserver l’énergie de la batterie est de segmenter le fonctionnement d’un dispositif IoT en activités distinctes, chacune d’entre elles nécessitant une puissance spécifique pendant une durée déterminée. Lorsque l’appareil est inactif, il est mis en mode d’économie d’énergie.

Le bon équilibre entre la dimension de la batterie et la fonctionnalité de l’appareil requiert une connaissance plus approfondie de la durée de vie de la batterie et de son courant de décharge que les techniques de mesure traditionnelles ne peuvent fournir. Pourquoi ?

La durée de vie estimée versus la durée de vie réelle pour une batterie

Une batterie stocke une quantité d’énergie spécifiée en Watt heures (Wh), et a une capacité de source de courant spécifiée en ampère heures (Ah). Si vous savez quelle puissance est nécessaire pour faire fonctionner votre appareil, vous pouvez estimer la durée de vie de la batterie de deux façons.

La première consiste à diviser la capacité de la batterie (en Wh) par la consommation moyenne (en W).

La capacité de stockage d’énergie de la batterie est également le produit de sa tension nominale (V) et de sa capacité de source de courant (Ah). La tension nominale est une valeur médiane de la courbe de décharge de la batterie, qui relie l’énergie de la batterie à sa capacité de source de courant.

Cela signifie que la deuxième façon d’estimer la durée de vie de la batterie est de diviser sa capacité de source de courant (Ah) par le courant moyen de décharge (A).

La durée de vie de la batterie est souvent plus courte que ne l’indiquent ces calculs, car la puissance des batteries peut varier de 5 à 10% par rapport aux spécifications et à cause de l’impact du courant dynamique de décharge.

La mesure du courant dynamique de décharge

Les concepteurs doivent caractériser les besoins énergétiques d’un appareil dans chaque mode de fonctionnement, ainsi que la valeur et la durée du courant de décharge dans chacun de ces modes. Cela leur permet de faire des compromis systémiques, car une fois qu’ils savent, par exemple, combien d’énergie il faut pour transmettre un paquet d’information, ils peuvent alors décider d’envoyer un paquet une fois par seconde ou une fois par minute pour assurer une utilisation acceptable.

Le problème est que les courants rencontrés dans un dispositif IoT peuvent varier d’une valeur de l’ordre de moins d’un μA en mode veille à 100 mA en mode émission, soit un rapport de 1 sur 100 000.

La mesure du courant de décharge avec un multimètre numérique

Vous pouvez mesurer le courant de décharge à l’aide d’un multimètre numérique (Digital Multimeter, DMM), mais cette approche est limitée, car les DMM fonctionnent mieux sur des plages fixes avec des niveaux de signal relativement statiques. Le courant dynamique de décharge d’un périphérique IoT peut entraîner des lectures instables sur le DMM lorsque le dispositif commute d’un mode à l’autre.

Même les DMM à réglage automatique sont lents, entre 10 ms et 100 ms, pour changer de plage et établir leurs résultats de mesure, ce qui peut être plus long que la durée d’un mode actif. Par conséquent, si vous utilisez un DMM, il est plus efficace de régler vous-même la gamme.

Un DMM est également peu approprié du fait qu’il effectue des mesures en insérant un shunt dans le circuit et en mesurant la chute de tension à travers celui-ci. Pour mesurer des courants faibles, vous choisissez une plage basse basée sur un shunt à haute résistance. Pour mesurer des courants élevés, vous choisissez une gamme élevée basée sur un shunt de faible résistance. Cependant, la chute de tension à travers le shunt signifie que le dispositif IoT n’est plus alimenté avec la pleine tension de la batterie. Cela signifie que dans les mesures de courant de veille, il est possible que la tension de la batterie chute à un niveau si faible que le dispositif doive se réinitialiser en présence d’un pic de courant.

La solution consiste à utiliser une plage de courant élevée qui maintient l’appareil en fonctionnement pendant les pics de courant. Cela vous permet de gérer les courants de pointe et de mesurer les courants de veille, mais cela a un inconvénient : comme l’erreur de décalage est spécifiée à la pleine échelle de chaque plage, elle peut avoir un impact important sur les mesures pour des petits courants. Par exemple, si l’erreur de mesure est spécifiée à 0,005% sur une plage de 100 mA ou 5 μA, cela représentera une erreur de 50% sur un signal de 10 μA et une erreur de 500% sur un signal de 1 μA. La majorité des capteurs passent la plupart de leur temps en mode veille, donc cette erreur peut avoir un impact important sur les estimations de la durée de vie de la batterie.

Une autre approche des mesures pour les courants faibles

Une des solutions à ce problème est le sourcemètre (Source/Measure Unit, SMU) N6781A de Keysight pour l’analyse du courant de décharge de la batterie, à utiliser avec le système compact d’alimentation modulaire Keysight N6700 (pour ATE) ou l’analyseur de puissance DC N6705 (pour la R&D).

Cet instrument gère les plages de courant de manière transparente, de sorte qu’il peut changer sa plage de mesure tout en maintenant stable la tension de sortie. Il mesure les courants de crête avec des plages de courant élevées et des courants de sommeil avec une plage pleine échelle de 1 mA, avec seulement 100 nA d’erreur de décalage. Cette erreur de décalage représente 10% d’un signal de 1 μA ou 1% d’un signal de 10 μA, bien moins que pour un DMM.

La mesure des impulsions d’activation et de transmission avec un oscilloscope

En plus de mesures du mode veille, les concepteurs doivent également mesurer le courant consommé et la durée des modes actifs d’un dispositif IoT. Les oscilloscopes sont adéquats pour mesurer les signaux qui changent au cours du temps, mais les modes actifs d’un dispositif IoT peuvent consommer des dizaines de milliampères. Gérer cela nécessite l’emploi de sondes, mais celles-ci sont affectées par un bruit d’environ 2,5 mArms et ont besoin de fréquentes compensations de zéro. Les sondes de courant ne permettent pas de mesurer ces niveaux en raison de leur sensibilité limitée et de leur dérive.

Puisque les sondes de courant mesurent le champ électrique émise par un conducteur électrique, leur sensibilité peut être augmentée en passant plusieurs fois le même fil au travers de la sonde afin de renforcer le champ. Cela permet aux utilisateurs de capturer la consommation en courant d’un appareil IoT lorsqu’il est actif, même si le courant commute entre les niveaux haut et bas au cours de cette phase, et le calcul de la puissance moyenne réelle implique alors d’exporter la forme d’onde afin d’en exploiter ses caractéristiques.

Les oscilloscopes captent correctement une impulsion unique, mais les mesures deviennent complexes si vous voulez vérifier combien de fois un capteur est activé pendant une période donnée ou à quelle fréquence il envoie une séquence de transmission. Les capteurs peuvent avoir des cycles de fonctionnement de plusieurs heures, qui sont difficiles à capturer avec un oscilloscope seul.

L’utilisation d’un analyseur de forme d’onde de courant d’un appareil

L’analyseur de forme d’onde de courant d’un appareil CX3300 de Keysight dispose d’une conception à faible bruit et d’une détection de courant à bande ultra large pour que les utilisateurs puissent visualiser les formes d’onde de courant non mesurables. Il supporte des capteurs de courant pouvant aller de 100 pA à 10 A, avec un taux d’échantillonnage de 1 Géch/s, une bande passante de 200 MHz, une plage dynamique de 14/16 bits et une profondeur de mémoire de 256 Mpts pour un modèle à deux ou quatre canaux.

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Figure 1: Analyseur de forme d’onde de courant d’un appareil, Keysight CX3300 Series (Source: Keysight Technologies)

Prenons l’exemple du circuit illustré sur la figure 2 (ci-dessous).

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Figure 2: Le défi de la mesure du courant dynamique des conceptions de faible puissance (Source: Keysight Technologies)

Les dispositifs IoT deviennent de plus en plus complexes et doivent donc être toujours plus efficaces concernant la gestion de leur consommation d’énergie en mettant en œuvre des stratégies de gestion de l’alimentation comme les modes de veille. Pour vraiment comprendre le profil de courant d’un périphérique, il est nécessaire de l’analyser dans une gamme autour du nA.

Comme on vient de le voir, les concepteurs ont utilisé pour cela des oscilloscopes avec des sondes de courant, mais un instrument dédié comme le CX3300 peut offrir des caractéristiques complémentaires :

  • Haute sensibilité pour mesurer un courant très faible, par exemple en mode veille
  • Plage dynamique élevée pour mesurer les transitions entre le mode veille et les modes actifs
  • Large gamme de fréquences, à partir du continu (DC)
  • Mesure précise sans l’effet de saturation typique d’une sonde de courant
  • Visualisation de la véritable forme d’onde du courant et non pas d’un courant moyen

Prenons une mesure I/V pulsée, comme le montre la figure 3. Ce type de mesure est utilisé pour explorer les problèmes d’auto-échauffement, étudier le comportement de la mémoire non volatile et déterminer les paramètres qui varient dans le temps pour la caractérisation des matériaux et des dispositifs.

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Figure 3: Mesure de la forme d’onde de sortie d’un générateur d’impulsions (Source: Keysight Technologies)

La forme d’onde de courant résultante est mesurée de deux façons, comme le montre la figure 4.