利用精密电阻测量Echo智能音箱休眠功耗

引言

许多电子设备休眠的时候电流很小，然而一旦进入激活状态或者发送信号时消耗的电流就会蹿升几个数量级。本次分享的应用案例，就是测量一台亚马逊智能音箱Amazon Echo，在不同工作状态下的电流，接下来用到的测试方法几乎可以适用于所有的移动设备或者电池供电的物联网设备。

精密电阻测量法

如果电子设备在不同工作模式下的电流差别很大，并且变化频率很快，那么测量它们将是个不小的挑战。通常这些设备在休眠状态只消耗微安级别的电流，然后突然之间切换到工作状态下就会消耗毫安甚至安培级别的大电流。因为休眠电流本身很小，切换工作模式的变化范围又很大，所以不适合用直流电流钳来测量，更为常用的方法是测量一个小的精密电阻两端的压降。

电阻的阻值应该选的大小适中，一方面要足够大以保证压降能够被有效的测量到，另一方面不能过大导致设备供电电压下降太多，影响正常工作。

在本案例中，Amazon Echo智能音箱是15V供电的，额定电流1.5A，按照经验法则：电流最大的时候压降不超过供电电压的1%，这个例子里面，我们就是在Echo的供电线上插入了一个0.11Ω的电阻， 1.5A电流的流过压降为165mV，应该不会对设备的工作造成影响，也不必担心这个精密电阻功耗过大而发热。理论上可以用更小的电阻来精密，但是可能的情况下，选用更大的电阻可以减少噪声的干扰，测量结果的信噪比更高。

我们同时测量了供电电压的波形，以便于计算功率。要点是测量最靠近用电设备一端的电压，这样才好排除掉插入电阻的影响，得到设备真正的功耗。

单位换算和分辨率

利用PicoScope的“自定义探头”功能，可以把插入电阻两端的电压重定标为电流值。然后用一个简单的公式P = V * I 就可以得到单位是瓦特的功率波形。

这里有必要再考虑一下示波器分辨率的因素，我们可能测到的最大电流是1.5A，对应的电压值是＋165mV。基本上较好的量程是±200mV，对应可测的电流范围是±1.82A。

提示：在这个案例里面我们测量的电压值最大165mV，而量程±200mV，也就是说我们只用了量程的一半不到，这显然有些浪费。更好的做法是把量程设为±100mV，然后加上100mV的偏置，最终得到0-200mV的量程，这可以进一步提高结果的分辨率，也就是0.11mA（这大概相当于数字万用表四位半的精度）

如果还需要更高的分辨率，可以打开分辨率增强模式，这会带来一定的采样率损失。当然了，如果在其他的测试场景下，最大电流达不到1.5A，也可以相应地设置更小的量程范围，最小的量程可以达到±10mV，这样就能够测到微安级别的电流了。

图2 利用PicoScope的自定义探头功能给压降信号重定标

差分测量和快速采样

精密电阻放在什么位置可以根据测试的需求来决定，看看是需要测量整个系统的电流还是其中某一部分，例如处理器或者WiFi模块。通常一个被测件都有好几个测试点可选。在这个应用案例里面，PicoScope 4444的差分输入通道效果十分理想，因为每个通道可以连到一个精密电阻两端，正负极可以任意连接到供电电源一侧或者用电电路一侧，不用担心地短路或者形成地环。这些失误在使用传统台式示波器的时候很容易发生。

器件消耗的电流，比如微控制器或者存储器的耗电电流可能以微秒级的速率急剧变化，要想抓到这些快速变化的值，需要测试仪表有足够的带宽和采样率。 PicScope 4444 的带宽是20MHz，采样率400MS/s，是测量快速变化电流的理想选择。

提示：当你尝试测量处理器、存储器或者WiFi模块快速变化的电流波形时，可以暂时拿掉去耦电容，这样能够看到电流的脉冲尖峰，并且测到上升时间。

图3 变压器输出的直流和纹波

Amazon Echo 智能音箱的供电

在测量Echo在不同模式下的功耗之前，我们来快速的看下不接入Echo时，供电的开关电源输出波形。我们用Channel A测量供电电压，DC耦合，得到15.36V的电压值；用Channel B同样测量供电电压，不同的是用AC耦合，得到纹波150mV，频率是86Hz。

连接上Echo之后，直流和纹波电压基本相当（分别是15.36V和135.5mV），但是纹波的频率从86Hz上升到了19.64KHz，也就是说电源模块在空载的时候会跳过很多脉冲周期的输出，来提高效率。

图4 测量Echo工作的电压和电流，PicScope4444是个理想选择

播放大音量的音乐

接下来我们把Echo设置到以最大音量播放音乐的模式，我们测到供电电压、电流和功耗。最大的电流只有771mV，也就是说1.5A的供电能力完全足以驱动这个设备。在峰值电流对应的时刻，15V供电电压下降了216mV（1.4%）。我们还设置了自动测量平均功率（3.383W）和峰值功率（11.58W）

待机功耗

因为Amazon Echo智能音箱设计的方式时让他保持打开状态，随时接收指令，所以有必要测量一下它在空闲等待指令的时候功率是多大。因此我们把Echo置于待机模式，然后让它以较低的音量（Volume 3）播放音乐。

图中的绿线是以全带宽捕捉的电流波形，因为有开关噪声，很难辨认信号。红色的线是我们对绿色波形做了10Hz低通的软件滤波，让我们能清楚的看到包络。

第一段11.6秒能看出Echo处于待机状态，仅仅耗电114mA(1.71W)

假如保持这个状态一年，估算供电模块效率是85%，那么Echo会用掉18KWh，按照一度电6毛钱算，一年下来要用掉10块8毛钱电费。（小编：持家之选）

图中标尺之间的区域，功率跳高是因为Echo检测到了一条语音命令，然后通过WiFi把它传输出去。让人惊讶的是用较低音量播放音乐的时候耗电竟然和待机差不多（117mA，仅仅多了3mA而已）。

原因也许是Echo为了准确识别语音命令，始终处于录音状态，近期不断有新闻爆出Echo的监听隐患，或出于官方设计考虑或易于被破解，总之这已经成为公众关心的一个话题。

图5 待机-唤醒-播放音乐的电流波形及其包络

结论

所以，结论是让Echo保持待机或者轻声地播放背景音乐，一年下来用掉的电费是差不多，所以请尽情的享受背影音乐带给家的温馨吧。