移動設備電池消耗的分析

工程師需要運用電池消耗分析來評估電池運行時間，這種分析需要分別在單獨及整合在系統(tǒng)之中這兩種情況下來描述設備、固件/軟件及其子電路。分析技術包括描述電池電流消耗，以及如何受各種工作模式及使用概況的影響。借助于這種分析，工程師就可以做出電源管理設計權衡，以盡量延長電池壽命。

大多數電源管理系統(tǒng)都是通過在亞毫秒時間尺度上使沒有在活躍使用中的子系統(tǒng)進入睡眠狀態(tài)來節(jié)省電池能量的。其結果是，設備在不到1s內發(fā)生的開/關事件中具有快速變化的電流。例如，GSM手機在傳輸時可以具有560μs, 2A的脈沖，接著當處于待機模式下，在睡眠周期中電流水平可能會跌落到毫安級。

驗證電池時間
驗證電池工作時間的一種方法是使用電壓跌落測試，使用一塊充滿電的電池來給待驗證的、處于工作模式下的待測設備（DUT）供電，直到電池沒電。這種測試可能相對比較耗時間，因為它需要全部過程運行完成來確定電壓關閉點，以確定工作時間。同樣，其結果依賴于電池的初始狀態(tài)，而后者可能會千差萬別。

另一種方法是執(zhí)行電流消耗測量，它能為工作時間測量提供更高的可信度。DUT被置于待評估的工作模式下運行一小段時間，并測量在這種特定工作模式中的電流消耗。然后，通過將名義電池容量除以測得的電流消耗來計算出工作時間。使用這種方法，設計師無須等待電池充分放電就能確定出運行時間。

理想系統(tǒng)的組成部分
在用于執(zhí)行電池消耗分析的理想系統(tǒng)中（如圖1所示），需要的第一個要素是一種將DUT放入適當的工作模式中進行目標測試（DUT激勵）的方法。對于移動電話而言，通常會使用基站仿真器。

圖1 在用于電池電流消耗測量和分析的一般理想系統(tǒng)中存在的幾個組成部分

其次，需要一種正確的DUT供電方法，使用電池或電源。電源的用途在于獨立于電池來測試DUT，以確保測試的一致性，或者快速地復制各種電池狀態(tài)而無須等待電池達到這些狀態(tài)（充滿電、部分放電、完全放電/壽命結束）。

其他重要的系統(tǒng)組成部分有：用于測量電流的電流轉換器，用于記錄電壓和電流信號的數字化儀和用于分析和存儲測試數據的軟件，這些測試數據用于完成長期測試會非常龐大，能多達數吉字節(jié)。

測量考慮因素
電池消耗分析中使用的電源必須獨立于電池來描述DUT。電源必須有快速的響應，以盡量減小DUT在切換模式或傳輸脈沖時所具有的快速回轉電流脈沖所造成的瞬態(tài)電壓跌落。

許多通用電源在這些條件下可能會出現高達1V的瞬態(tài)跌落，所以應該使用能夠容忍這些條件而不出現電壓下降的專用電源（有時稱為電池仿真電源）。

從電池流向移動設備的快速變化的電流波形提出了兩項測量難題：范圍和速度。首先，電流的動態(tài)范圍可能會超過1000:1，甚至1 000 000:1。全功率活動電流位于1～3A的量級，而低睡眠模式等級的電流位于數十微安的量級，所以待測電流的范圍給電流轉換器的選擇提出了一項難題。

這里可以使用電流感知的電阻器或分流器，但選擇大小合適的分流器卻可能頗為棘手。如果分流器的大小適合于測量最小電流，那么在大電流事件中就會在分流器兩端出現大的電壓降幅，而這將給電路帶來不可承受的電壓負擔。如果分流器的大小適合于測量大電流，那么當微安級電流流過時，就極有可能沒有足夠大的電壓可供測量。通過配備幾種分流器用于不同電流大小的測量，工程師可以解決信號級的問題，但這時切換分流器就意味著中斷測量。

就測量速度而言，用于測量電流分流器電壓和移動設備偏置電壓的數字化儀應該具有50kHz或更快的采樣率，以便捕獲亞毫秒級脈沖，后者是復雜的電源管理方案的特征。

簡化復雜的分析
像3G這樣的通信系統(tǒng)采用復雜的調制格式，其特征是傳輸較高的數據率時所需的高階幅度調制。從時域上看，生成的電流消耗波形是復雜而隨機的。

當在較長時間內運行并進行不同的操作時，使用3個數據通道進行傳輸的一臺cdma2000手機的射頻功率放大器的電流消耗-時間圖（如圖2所示）變得復雜而不可預測。對于電池工作時間測試而言，這種情況很常見，并且難以觀察到更改電流消耗設計的效果。

圖2 從時域上看（左圖），cdma2000手機的射頻功率放大器的電流消耗波形是復雜而不可預測的。以CCDF圖(b)查看相同的電流波形，設計人員很容易就能夠看出設備在每種電流狀態(tài)下的頻繁程度

一種較好的可視化和分析復雜的電流消耗模式的方法是使用互補累積分布函數（CCDF）圖來查看其統(tǒng)計分布。在CCDF圖中，x軸表示電流，而y軸表示其累計發(fā)生百分比（如圖2b所示）。

通過查看被抽取電流大小的統(tǒng)計分布，設計人員可以快速地看到設備在每種電流狀態(tài)中工作的頻繁程度。對于不同設計方案，比較這些CCDF圖形，就可以看出設備何時消耗更多的能量（也就是說，在大電流狀態(tài)下其時間的比例增加），或者何時消耗更少的能量（也就是說，在小電流狀態(tài)下其時間的比例增加）。因此，工程師就可以評估出何時設計更好（需要較少的能量）或者找出設計缺陷（出人意料的需要更多能量）。

現成的解決方案
幾家測試設備供應商所生產的產品可處理目標測試系統(tǒng)的不同部分。一些供應商所提供的電源可以在抽取快速電流脈沖時提供穩(wěn)定的、類似于電池的輸出。

入門級解決方案是安捷倫科技公司的移動通信直流源66300系列。這一系列是特別定制的，用于給移動設備供電并同時測量其電流消耗。它整合了電池仿真電源和類似于示波器的高速數字化測量系統(tǒng)，可以為設備的活動、待機和關閉模式提供準確的電流測量。

這種直流源及其配套的交鑰匙軟件可以使用戶在無須任何編程的情況下，以類似于示波器的視圖、數據記錄儀視圖并在CCDF圖表上看到它們的電流波形。如果對精度和采樣速率有更高的要求，還可以選擇該公司提供的其他解決方案。