移動(dòng)設(shè)備電池消耗的分析

工程師需要運(yùn)用電池消耗分析來評(píng)估電池運(yùn)行時(shí)間，這種分析需要分別在單獨(dú)及整合在系統(tǒng)之中這兩種情況下來描述設(shè)備、固件/軟件及其子電路。分析技術(shù)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(shè)計(jì)權(quán)衡，以盡量延長電池壽命。

大多數(shù)電源管理系統(tǒng)都是通過在亞毫秒時(shí)間尺度上使沒有在活躍使用中的子系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)來節(jié)省電池能量的。其結(jié)果是，設(shè)備在不到1s內(nèi)發(fā)生的開/關(guān)事件中具有快速變化的電流。例如，GSM手機(jī)在傳輸時(shí)可以具有560μs, 2A的脈沖，接著當(dāng)處于待機(jī)模式下，在睡眠周期中電流水平可能會(huì)跌落到毫安級(jí)。

驗(yàn)證電池時(shí)間
驗(yàn)證電池工作時(shí)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(yàn)證的、處于工作模式下的待測設(shè)備（DUT）供電，直到電池沒電。這種測試可能相對(duì)比較耗時(shí)間，因?yàn)樗枰窟^程運(yùn)行完成來確定電壓關(guān)閉點(diǎn)，以確定工作時(shí)間。同樣，其結(jié)果依賴于電池的初始狀態(tài)，而后者可能會(huì)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(shí)間測量提供更高的可信度。DUT被置于待評(píng)估的工作模式下運(yùn)行一小段時(shí)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(jì)算出工作時(shí)間。使用這種方法，設(shè)計(jì)師無須等待電池充分放電就能確定出運(yùn)行時(shí)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(gè)要素是一種將DUT放入適當(dāng)?shù)墓ぷ髂Ｊ街羞M(jìn)行目標(biāo)測試（DUT激勵(lì)）的方法。對(duì)于移動(dòng)電話而言，通常會(huì)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(gè)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(dú)立于電池來測試DUT，以確保測試的一致性，或者快速地復(fù)制各種電池狀態(tài)而無須等待電池達(dá)到這些狀態(tài)（充滿電、部分放電、完全放電/壽命結(jié)束）。

其他重要的系統(tǒng)組成部分有：用于測量電流的電流轉(zhuǎn)換器，用于記錄電壓和電流信號(hào)的數(shù)字化儀和用于分析和存儲(chǔ)測試數(shù)據(jù)的軟件，這些測試數(shù)據(jù)用于完成長期測試會(huì)非常龐大，能多達(dá)數(shù)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(dú)立于電池來描述DUT。電源必須有快速的響應(yīng)，以盡量減小DUT在切換模式或傳輸脈沖時(shí)所具有的快速回轉(zhuǎn)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(huì)出現(xiàn)高達(dá)1V的瞬態(tài)跌落，所以應(yīng)該使用能夠容忍這些條件而不出現(xiàn)電壓下降的專用電源（有時(shí)稱為電池仿真電源）。

從電池流向移動(dòng)設(shè)備的快速變化的電流波形提出了兩項(xiàng)測量難題：范圍和速度。首先，電流的動(dòng)態(tài)范圍可能會(huì)超過1000:1，甚至1 000 000:1。全功率活動(dòng)電流位于1～3A的量級(jí)，而低睡眠模式等級(jí)的電流位于數(shù)十微安的量級(jí)，所以待測電流的范圍給電流轉(zhuǎn)換器的選擇提出了一項(xiàng)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(huì)在分流器兩端出現(xiàn)大的電壓降幅，而這將給電路帶來不可承受的電壓負(fù)擔(dān)。如果分流器的大小適合于測量大電流，那么當(dāng)微安級(jí)電流流過時(shí)，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(hào)級(jí)的問題，但這時(shí)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(dòng)設(shè)備偏置電壓的數(shù)字化儀應(yīng)該具有50kHz或更快的采樣率，以便捕獲亞毫秒級(jí)脈沖，后者是復(fù)雜的電源管理方案的特征。

簡化復(fù)雜的分析
像3G這樣的通信系統(tǒng)采用復(fù)雜的調(diào)制格式，其特征是傳輸較高的數(shù)據(jù)率時(shí)所需的高階幅度調(diào)制。從時(shí)域上看，生成的電流消耗波形是復(fù)雜而隨機(jī)的。

當(dāng)在較長時(shí)間內(nèi)運(yùn)行并進(jìn)行不同的操作時(shí)，使用3個(gè)數(shù)據(jù)通道進(jìn)行傳輸?shù)囊慌_(tái)cdma2000手機(jī)的射頻功率放大器的電流消耗-時(shí)間圖（如圖2所示）變得復(fù)雜而不可預(yù)測。對(duì)于電池工作時(shí)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(shè)計(jì)的效果。

圖2 從時(shí)域上看（左圖），cdma2000手機(jī)的射頻功率放大器的電流消耗波形是復(fù)雜而不可預(yù)測的。以CCDF圖(b)查看相同的電流波形，設(shè)計(jì)人員很容易就能夠看出設(shè)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(fù)雜的電流消耗模式的方法是使用互補(bǔ)累積分布函數(shù)（CCDF）圖來查看其統(tǒng)計(jì)分布。在CCDF圖中，x軸表示電流，而y軸表示其累計(jì)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(jì)分布，設(shè)計(jì)人員可以快速地看到設(shè)備在每種電流狀態(tài)中工作的頻繁程度。對(duì)于不同設(shè)計(jì)方案，比較這些CCDF圖形，就可以看出設(shè)備何時(shí)消耗更多的能量（也就是說，在大電流狀態(tài)下其時(shí)間的比例增加），或者何時(shí)消耗更少的能量（也就是說，在小電流狀態(tài)下其時(shí)間的比例增加）。因此，工程師就可以評(píng)估出何時(shí)設(shè)計(jì)更好（需要較少的能量）或者找出設(shè)計(jì)缺陷（出人意料的需要更多能量）。

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

入門級(jí)解決方案是安捷倫科技公司的移動(dòng)通信直流源66300系列。這一系列是特別定制的，用于給移動(dòng)設(shè)備供電并同時(shí)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(shù)字化測量系統(tǒng)，可以為設(shè)備的活動(dòng)、待機(jī)和關(guān)閉模式提供準(zhǔn)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(shù)據(jù)記錄儀視圖并在CCDF圖表上看到它們的電流波形。如果對(duì)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。