Power Profiler Kit II (PPK2) это гибкий, многофункциональный инструмент для измерения в реальном времени потребляемой мощности электронных устройств.
PPK2 измеряет потребляемый ток, выдавая питание на анализируемое внешнее устройство, либо может работать как измеритель тока, когда используется внешний источник питания. Диапазон измеряемого тока от 500 nA до 1 A с построением подробного графика, что предоставляет полную картину профиля питания отлаживаемого приложения.
PPK2 может измерять ток потребления любой внешней платы - например, китов разработчика (DK) серий nRF5 или nRF91. Для измерений, отображения графиков и управления используется приложение Power Profiler, устанавливаемое из набора утилит nRF Connect for Desktop. Существует несколько измерительных конфигураций, описанных в этом руководстве.
Ключевые функциональные особенности PPK2:
• Настраиваемое напряжение питания для тестируемого устройства в диапазоне от 0.8V до 5.0V (конфигурируется программно). • Максимальный измеряемый ток 1A. • Точное измерение тока до минимума приблизительно 200 nA. • Разрешающая способность до 0.2 μA. • Частота выборок 100 kS/s (килосемплов в секунду). • Автоматическое переключением между пятью диапазонами измеряемого тока, что обеспечивает оптимальный выбор разрешающей способности. • Точность измерения лучше ±20% (измерение среднего потребляемого тока). • 8 цифровых входов, используемых для трассировки сигналов. • Обмен данными осуществляется через USB, что позволяет упростить портирование на другие приложения. • GUI-приложение для измерений и анализа энергопотребления. • Отображение измеряемого тока в реальном времени.
Для использования PPK2 нужен кабель microUSB (его нет в комплекте поставки), и установленное программное обеспечение nRF Connect for Desktop. Это приложение может работать на Microsoft Windows 8 или Windows 10, macOS, Linux.
В комплект поставки входит собранная плата PPK2 и два кабеля - один из 4 проводов, другой из 10 проводов.
Рис. 1. Плата PPK2 и кабели в комплекте.
На сайте Nordic выложена документация по использованию PPK2 [1], файлы Altium Designer с файлами для производства (Gerber), PDF-файл с принципиальной схемой и печатной платой.
[Быстрый старт]
ИМХО, чтобы сразу все стало понятно, есть смысл посмотреть видео [3]. Ниже приведена инструкция по быстрому старту на примере измерения тока платы разработчика nRF9160 DK.
1. Подготовьте плату nRF9160 DK для измерения потребляемого тока. Для этого в DK нужно проделать некоторые модификации, подробнее см. руководство [4].
Примечание: если Вы используете другую плату разработчика (DK), то для дополнительной информации по настройке платы см. далее ссылки во врезке "Подготовка различных китов для измерения тока".
2. Соедините PPK2 с платой DK через 4-проводный измерительный кабель следующим образом:
• PPK2 VIN соедините с P22 VDD_nRF • PPK2 VOUT соедините с P22 VDD_nRF • PPK2 GND соедините с P21 GND
3. Кабелем microUSB соедините PPK2 с компьютером. Если необходимо использовать отладчик (например J-Link RTT [5]), то соедините DK с компьютером еще одним кабелем microUSB.
Рис. 2. Типовая схема соединений для измерения тока потребления платы DK.
4. Установите приложение Power Profiler из пакета утилит nRFConnect for Desktop, как это описано далее в разделе "Установка утилиты Power Profiler".
5. Запустите Power Profiler, как это описано далее в разделе "Использование Power Profiler".
6. Выберите режим измерителя тока (Ampere meter, этот режим обозначается аббревиатурой AMP).
После этого PPK2 готов к использованию.
[Описание аппаратуры PPK2]
PPK2 работает под управлением чипа nRF52840 (System on Chip, SoC), который использует свой АЦП (analog-to-digital converter, ADC) для изменения падения напряжения на последовательно подключенном датчике тока на основе резистора. Значения резистора используются для вычисления потребляемой мощности. У PPK2 есть 5 диапазонов измерения тока, которые управляются схемой автоматического переключения.
Для отправки данных в GUI-приложение на компьютере nRF52840 SoC использует класс последовательного порта USB (Communication Device Class, CDC) Abstract Control Model (ACM), который поддерживают все современные операционные системы без необходимости установки дополнительного драйвера.
На блок-схеме ниже дан общий обзор на систему PPK2 и соединения между его различными блоками.
Рис. 3. Блок-схема внутреннего устройства PPK2.
Примечание: PPK2 имеет открытую архитектуру для аппаратного обеспечения, поскольку его схема и печатная плата опубликованы, см. [7].
Для PPK2 существует 2 разных режима измерения:
• Source Meter (этот режим обозначается аббревиатурой SMU) • Ampere Meter (этот режим обозначается аббревиатурой AMP)
Выбор режима осуществляется в приложении Power Profiler.
Рис. 4. Кнопки выбора режима PPK2 в приложении Power Profiler.
SMU. Когда PPK2 находится в режиме SMU, для питания анализируемого устройства (Device Under Test, DUT) используется внутренний стабилизатор PPK2. В этом случае выходное напряжение может быть настроено движком в приложении Power Profiler в диапазоне 0.8V - 5.0V.
Рис. 5. Движок в Power Profiler, регулирующий выходное напряжение для питания DUT.
AMP. Когда PPK2 используется в режиме AMP, питание DUT осуществляется от внешнего источника напряжения. Это напряжение подается на DUT напрямую, без регулировки, и оно может быть в диапазоне 0.8V - 5.0V.
При использовании PPK2 в разъем USB DATA/POWER всегда должен быть подключен кабель, соединяющий PPK2 с компьютером PC. Если PPK2 работает в режиме SMU, и исследуемое DUT может потреблять ток свыше 400 mA, то для обеспечения необходимого тока в разъем USB POWER ONLY может быть подключен дополнительный источник питания 5V 1A (например стандартное зарядное устройство).
EEPROM. В PPK2 есть память EEPROM, подключенная к nRF52840 SoC, она используется для хранения данных калибровки.
[Разъемы PPK2]
Доступ к PPK2 осуществляется через набор коннекторов.
Рис. 6. Внешние соединители PPK2.
Таблица 1. Назначение коннекторов PPK2.
Коннекторы и контакты
Описание
Коннектор для подключения к анализируемому устройству (DUT)
GND
Подключение земли DUT.
VOUT
Выход напряжения питания для DUT.
VIN
Вход для подключения внешнего источника питания для DUT.
GND
Подключение земли DUT.
Порты USB для подключения к компьютеру
USB DATA/POWER
Подключение microUSB для подачи питания на PPK2 и обмена данными с ним.
USB POWER ONLY
Подключение microUSB для дополнительного питания DUT.
LOGIC PORT (логический анализатор)
VCC
VCC DUT(1).
GND
GND DUT.
D0 – D7
Цифровые входы.
Примечание (1): напряжение на этой ножке необходимо для правильной работы схемы согласования логических уровней между nRF52840 SoC и DUT. Без подачи напряжения на этот вывод логический анализатор не работает.
[Подготовка к работе PPK2]
В последующих секциях предоставлена информация, которая поможет в установке и настройке PPK2.
При измерении тока потребления с помощью PPK2 в случае использования различных плат разработчика (DK) необходимо провести для них некоторые изменения. Следующие ссылки (строки для поиска) содержат соответствующую информацию для различных DK:
• Подготовка nRF51 DK (nRF51 Development Kit Developing with the MDK-ARM Microcontroller Development Kit User Guide v1.2 site:infocenter.nordicsemi.com).
• Подготовка к измерению тока nRF52 DK (nRF52 DK Measuring current Preparing site:infocenter.nordicsemi.com)
• Подготовка к измерению тока nRF52840 DK (nRF52840 DK Measuring current Preparing site:infocenter.nordicsemi.com)
• Подготовка к измерению тока nRF52833 DK (nRF52833 DK Measuring current Preparing site:infocenter.nordicsemi.com)
• Подготовка к измерению тока nRF9160 DK (nRF9160 DK Measuring current Preparing site:infocenter.nordicsemi.com)
• Подготовка к измерению тока nRF5340 DK (nRF5340 DK Measuring current Preparing site:infocenter.nordicsemi.com)
Измерение тока в режиме Source Meter (SMU). В этом режиме PPK2 используется для генерации напряжения питания для DUT. Напряжение питания DUT может быть настроено с помощью слайдера в приложении Power Profiler (см. далее секцию "Использование Power Profiler").
В качестве примера на рисунке ниже показана типовая конфигурация измерения тока потребления nRF9160 DK в режиме SMU.
Рис. 7. Измерение тока потребления платы nRF9160 DK в режиме Source Meter.
Таблица 2. Соединяемые контакты между PPK2 в режиме Source Meter и тестируемой платой nRF9160 DK.
PPK2 (режим SMU)
DK
VOUT
P24 VDD_nRF
GND
P28
Измерение тока в режиме Ampere Meter (AMP). В этом режиме питание для DUT должно быть подано от внешнего источника напряжения, например от лабораторного источника питания (или от USB, если для питания DUT нужно постоянное напряжение 5V).
На рисунке ниже показана типовая конфигурация измерения тока при использовании nRF9160 DK, когда PPK2 включен в режиме AMP.
Рис. 8. Измерение тока потребления платы nRF9160 DK в режиме Ampere Meter.
Таблица 3. Соединяемые контакты между PPK2 в режиме Ampere Meter и тестируемой платой nRF9160 DK.
PPK2 (режим AMP)
DK
VIN
P24 VDD_nRF'
VOUT
P24 VDD_nRF
GND
P28
Входы логического анализатора. PPK2 поддерживает одновременное считывание входных цифровых уровней на 8 каналах. Для использование этой функции выполните следующие соединения с коннектором LOGIC PORT (порт логического анализатора):
• DUT VCC соедините с ножкой VCC порта логического анализатора PPK2 • DUT GND соедините с ножкой GND порта логического анализатора PPK2 • Цифровой сигнал (сигналы) от DUT подключите к любому входу порта логического анализатора (D7 - D0).
Подключение PPK2 к компьютеру. PPK2 соединяется с компьютером PC стандартным кабелем microUSB через коннектор USB DATA/POWER. После этого для начала измерений можно запустить утилиту Power Profiler.
Примечание: в режиме Source Meter (SMU) порт USB должен обеспечивать достаточный ток для питания DUT, с учетом того, что схема PPK2 сама потребляет ток приблизительно 50 мА.
[Установка утилиты Power Profiler]
Приложение Power Profiler устанавливается из набора утилит nRF Connect for Desktop. Поэтому для того, чтобы можно было установить Power Profiler, необходимо загрузить и установить приложение nRF Connect for Desktop [6].
Чтобы установить приложение Power Profiler:
1. Запустите установленную программу nRF Connect for Desktop. 2. Найдите в списке утилит Power Profiler, и кликните на кнопку Install.
После того, как приложение было установлено, его можно запустить кликом на кнопке Open. Для упрощения доступа к приложению создайте ярлык Power Profiler. Для этого кликните на кнопке с треугольником и выберите пункт "Create shortcut".
Рис. 9. Создание ярлыка для быстрого запуска Power Profiler.
При появлении новой версии приложения рядом с кнопкой Open появится кнопка Update. Выполните клик на ней, чтобы установить последнюю версию приложения. Для удаления установленного приложения кликните на кнопку с треугольником и выберите Uninstall.
[Использование Power Profiler]
PPK2 должен быть подключен к компьютеру через порт USB DATA/POWER, и должно быть запущено приложение Power Profiler.
1. Откройте приложение Power Profiler с помощью набора утилит nRF Connect.
2. Выберите устройство кнопкой SELECT DEVICE (находится в левом верхнем углу окна).
Рис. 10. Выбор устройства PPK2.
3. Далее действия зависят от выбора режима PPK2. Для этого служат кнопки Source meter и Ampere meter (см. рис. 4).
• Если PPK2 используется для измерений в режиме Ampere Meter (см. рис. 8), то выберите Ampere Meter. • Если PPK2 используется для измерений в режиме Source Meter (см. рис. 7), то выберите Source Meter.
Примечание: в режиме Source Meter можно настроить уровень напряжения питания для DUT с помощью слайдера "Set supply voltage to", см. рис. 5.
4. Кликните Start sampling.
5. Включите питание для DUT, в режиме Source Meter используйте для этого движок переключателя, см. рис. 5.
Приложение Power Profiler проверит наличие в PPK2 требуемого firmware, и при необходимости отобразит диалог, предлагающий его обновление.
Цифровые каналы логического анализатора. Вместе с графиком потребляемого тока могут быть отображены цифровые сигналы, подаваемые на LOGIC PORT входы D7 - D0. Для этого необходимо цифровыми кнопками, расположенными на панели слева, разрешить соответствующие каналы. После этого их уровни начнут отображаться под графиком тока.
Рис. 11. Разрешение цифровых каналов D0 и D1.
[Дополнительные настройки]
Расширенная панель управления предоставляет доступ к настройке фильтра и позволяет регулировать коэффициенты усиления для всех отдельных диапазонов. Для доступа к расширенной панели управления нажмите клавиши CTRL+ALT+SHIFT+A.
Примечание: эти настройки следует изменять только если Вы понимаете, что делаете.
Gains. Если в любом из диапазонов (см. таблицу 6 "Разрешающая способность измерений") присутствует смещение, то используйте эти органы управления для добавления положительного или отрицательного gain к измеренным значениям.
Spike filter. Всякий раз, когда происходит динамическое переключение диапазона, индуцированный выброс на индуктивности может привести к тому, что первые выборки будут выше фактического значения.
Используйте следующие слайдеры:
• Samples to smooth - количество фильтруемых выборок после переключения диапазона. • Coefficient for range 1–4 - магнитуда фильтра пиков для диапазонов 1 – 4. Чем значение больше, тем сильнее фильтрация. • Coefficient for range 5 - магнитуда фильтра пиков для диапазона 5. Чем значение больше, тем сильнее фильтрация.
[Электрические параметры]
Эти спецификации содержат значения свойств, необходимые для использования PPK2.
Таблица 4. Параметры окружающей среды.
Параметр
Аббревиатура
min
Typ
MAX
Ед.
Рабочая температура
Op_Temp
+5
+40
°C
Таблица 5. Нормальные условия окружающей среды.
Параметр
Описание
Среда использования
Только внутри помещения.
Высота над уровнем моря
До 2000 м.
Температура
+5 .. +40 °C
Относительная влажность воздуха
Максимальная относительная влажность 80% для температур до 31 °C с линейным снижением до 50% при возрастании температуры до 40 °C.
Колебания напряжения питания сети
Недопустимо, оборудование не должно подключаться к нестабилизируемым источникам питания.
Категория перенапряжений
Category 0 по стандарту EN 61010-1-2-030
Наличие влаги
Недопустимо
Степень загрязнения
2
Примечание: не используйте PPK2 для измерений в цепях категорий II, III или IV, или для измерений токов схем в мощных системах электропитания, или для схем, работающих в условиях перенапряжений (Overvoltage Category II, III или IV), где могут быть опасные переходные выбросы напряжения. Перед проведением измерений с помощью PPK2 необходимо предварительно проанализировать в системе рабочие напряжения, временные перенапряжения, импедансы цепей.
Таблица 6. Параметры источника питания.
Параметр
Аббревиатура
min
Typ
MAX
Ед.
Описание
Напряжение питания DUT
VDD_DUT
0.8
5.0
V
Напряжение внешнего источника питания
VDD_EXT
0.8
5.0
Напряжение питания, поступающего от microUSB
V5V
4.5
5.5
Значения соответствуют допускам для порта USB
VCC LOGIC PORT(1)
VCC
1.65
5.5
Выдаваемая мощность питания для DUT
5
Ватт
Примечание (1): без подачи этого напряжения логический анализатор не работает. Обычно достаточно соединить друг с другом VDD_OUT и контакт VCC разъема LOGIC PORT.
Таблица 7. Максимально допустимый ток для DUT.
Параметр
Аббревиатура
min
Typ
MAX
Ед.
Описание
Максимальный ток потребления DUT
Max_I
1
A
Режим AMP
600
mA
Режим SMU
Таблица 8. Разрешающая способность измерений.
Диапазон
Аббревиатура
Typ
Ед.
200 nA .. 50 μA
R1_Resol
0.2
μA
50 μA .. 500 μA
R2_Resol
0.5
500 μA .. 5 mA
R3_Resol
5
5 mA .. 50 mA
R4_Resol
50
50 mA .. 1000 mA
R5_Resol
1
mA
Таблица 9. Точность измерений.
Диапазон
Аббревиатура
Typ
Описание
200 nA .. 50 μA
R1_Accuracy (точность)
±10%
Значение, считанное из измеренного среднего тока (average).
R1_Offset (смещение)
±2%
50 μA .. 500 μA
R2_Accuracy (точность)
±10%
R2_Offset (смещение)
±2%
500 μA .. 5 mA
R3_Accuracy (точность)
±10%
R3_Offset (смещение)
±2%
5 mA .. 50 mA
R4_Accuracy (точность)
±10%
R4_Offset (смещение)
±2%
50 mA .. 1000 mA
R5_Accuracy (точность)
±15%
R5_Offset (смещение)
±5%
Разрешающая способность цифровых входов. Цифровые входы D0 – D7 оцифровываются с частотой 100 кГц, поэтому типовая анализируемая полоса входных сигналов должна быть не больше 50 кГц.
[Решение проблем]
PPK2 измеряет только шум. Проверьте правильность подключения DUT, как это описано выше в разделе "Подготовка к работе PPK2".
Измерения меняются, хотя ток должен быть постоянный. Ток потребления DUT может быть близок к уровню переключения диапазонов, что вызывает быстрое переключение между диапазонами, в результате график измерений искажается.
График меняется очень медленно. Избегайте использования хабов USB и промежуточных док-станций для подключения PPK2. Построение графика измерений может требовать некоторое количество вычислительных ресурсов CPU, поэтому убедитесь, что компьютер не перегружен другими задачами.
PPK2 ничего не измеряет. Проверьте, правильно ли подключен измерительный кабель, потому что PPK2 не может измерять отрицательные токи.
Заземление. Убедитесь, что земля DUT (шина GND) сground is connected to the PPK2 even in ampere meter mode.
Логический анализатор не работает. Причина в том, что не подано напряжение на ножку VCC порта логического анализатора (LOGIC PORT). На этом выводе напряжение должно совпадать с напряжением питания DUT.
Для дополнительной информации посетите сайт Nordic DevZone. Для получения персональной техподдержки от команды Nordic зарегистрируйтесь на Nordic Developer Zone и заведите приватный тикет.
[Ссылки]
1. Power Profiler Kit II v1.0.1 User Guide site:nordicsemi.com. 2. nRF Power Profiler Kit II. 3. Get your Power Profiler Kit II up and running site:youtube.com. 4. nRF9160 DK User Guide site:nordicsemi.com. 5. nRF5x: отладка с помощью RTT. 6. nRF Connect for Desktop site:nordicsemi.com. 7. 220121PPK2-files.zip - документация, файлы Altium Designer, файлы для производства (Gerber), PDF с принципиальной схемой и печатной платой.
