测量模组功耗

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开发功耗敏感型应用时,需要了解 模组 在 Deep-sleep 模式、其他节能模式 和 Active 模式下的功耗。本节介绍如何测量运行此类应用程序时模组的功耗。

测量注意事项

可以使用开发板进行测量吗?

对于 ESP32-S3,不建议直接使用开发板来测量相应模组的功耗,因为即使烧写 deep_sleep 示例,板上的某些电路仍会产生功耗。因此,在测量模组的电流前需要先切断电源电路。这种方法非常不便,测量成本高。

如何选择合适的电流表?

deep_sleep 示例中,模组每 20 秒被唤醒一次。在 Deep-sleep 模式下,模组中的电流仅为几微安 (μA),而在 Active 模式下,电流的量级为毫安 (mA)。普通电流表无法快速动态切换测量范围,因此很难在如此大的动态范围内进行准确测量。

此外,普通电流表的内阻相对较高,压降较大,提供的电压可能会小于模组的最低电压,从而导致模组状态不稳定。

因此,用于测量 Deep-sleep 模式下电流的电流表应具有较小内阻,最好能够动态切换电流范围。我们推荐使用 Joulescope 电流表 和 Nordic 发布的 Power Profiler Kit II

Joulescope 电流表

Joulescope 电流表既能高速采样,又可以快速切换动态电流范围,即使测量设备的功耗变化很快,也可以准确测量其电流和功耗。Joulescope 可以精确测量从 A 到 nA 共九个数量级的设备电流。此外,Joulescope 在 1 A 时的总压降为 25 mV,可以保证模组正常运行。拥有以上两大特性, Joulescope 是测量模组在 Deep-sleep 模式和 wake-up 模式之间切换时电流的理想选择。

Joulescope 没有显示屏,如果需要查看所测模组的电流波形,请将其连接到计算机。具体请参照制造商提供的文档操作。

Nordic Power Profiler Kit II

Nordic Power Profiler Kit II (PPK2) 具有先进模拟测量单元,动态测量范围大。低功耗嵌入式应用的功耗通常在几微安到 1 A 之间,PPK2 能够准确测量这个范围内的电流。根据测量范围的不同,分辨率在 100 nA 到 1 mA 之间变化。如此精准的分辨率足以检测到低功耗优化系统中常见的小波动。

硬件连接

要测量裸模组的功耗,需要用 ESP-Prog 来为模组烧写 deep_sleep 示例,并在测量期间为模组供电。此外还需要一个合适的电流表(这里我们使用 Joulescope 电流表),一台计算机,当然还有一个带有必要跳线的裸模组。请参阅以下图示连接硬件。

硬件连接(点击放大)

硬件连接(点击放大)

请将所测模组的 UART TXUART RXSPI BootEnable 以及 GND 管脚与 ESP-Prog 上的相应管脚连接。将 ESP-Prog 上的 VPROG 管脚连接到 Joulescope 电流表的 IN+ 端口,并将 OUT+ 端口连接到所测模组的 3.3 V 管脚。有关不同模组中管脚的具体名称,请参考下面的列表。

基于 ESP32-S3 芯片的模组管脚名称

模组管脚功能

管脚名称

UART TX

TXD0

UART RX

RXD0

SPI Boot

IO0

Enable

EN

供电

3V3

接地

GND

有关管脚名称的详细信息,请参阅 模组技术规格书

测量步骤

下面以 ESP32-S3-WROOM-1 为例进行电流测量,其他模组也可参照以下步骤。芯片在不同模式下的具体功耗,请参阅相应 芯片技术规格书 中的功耗章节。

参照以下步骤,可以测量 Deep-sleep 模式下的电流情况。

请注意,在运行 idf.py menuconfig 配置示例时,需要先在 Example Configuration 中禁用 Enable touch wake up,以降低底电流。

  • 默认情况下,模组每 20 秒唤醒一次(可以通过修改示例的代码来更改定时)。想要检查示例是否按照预期运行,可以运行 idf.py -p PORT monitor (请用你的串行端口名称替换 PORT)来监视模组的情况。

  • 打开 Joulescope 软件查看如下图所示的电流波形。

观察波形可知,模组在 Deep-sleep 模式下的电流为 8.14 μA,在 Active 模式下的电流约为 23.88 mA。此外,Deep-sleep 模式下的平均功耗为 26.85 μW,Active 模式下的平均功耗则为 78.32 mW。

ESP32-S3-WROOM-1 的电流波形(点击放大)

ESP32-S3-WROOM-1 的电流波形(点击放大)

观察下图可知,该模组在一个周期内的总功耗为 6.37 mW。

ESP32-S3-WROOM-1 的功耗(点击放大)

ESP32-S3-WROOM-1 的功耗(点击放大)

通过参考不同模式下的功耗,可以估算应用程序的功耗,从而选择合适的电源。