移動(dòng)設備電池消耗的分析

工程師需要運用電池消耗分析來(lái)評估電池運行時(shí)間，這種分析需要分別在單獨及整合在系統之中這兩種情況下來(lái)描述設備、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計權衡，以盡量延長(cháng)電池壽命。

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

驗證電池時(shí)間
驗證電池工作時(shí)間的一種方法是使用電壓跌落測試，使用一塊充滿(mǎn)電的電池來(lái)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(méi)電。這種測試可能相對比較耗時(shí)間，因為它需要全部過(guò)程運行完成來(lái)確定電壓關(guān)閉點(diǎn)，以確定工作時(shí)間。同樣，其結果依賴(lài)于電池的初始狀態(tài)，而后者可能會(huì )千差萬(wàn)別。

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

理想系統的組成部分
在用于執行電池消耗分析的理想系統中（如圖1所示），需要的第一個(gè)要素是一種將DUT放入適當的工作模式中進(jìn)行目標測試（DUT激勵）的方法。對于移動(dòng)電話(huà)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。電源的用途在于獨立于電池來(lái)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(wú)須等待電池達到這些狀態(tài)（充滿(mǎn)電、部分放電、完全放電/壽命結束）。

其他重要的系統組成部分有：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(cháng)期測試會(huì )非常龐大，能多達數吉字節。

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(lái)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(shí)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(huì )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(zhuān)用電源（有時(shí)稱(chēng)為電池仿真電源）。

從電池流向移動(dòng)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(dòng)態(tài)范圍可能會(huì )超過(guò)1000:1，甚至1 000 000:1。全功率活動(dòng)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(huì )在分流器兩端出現大的電壓降幅，而這將給電路帶來(lái)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(guò)時(shí)，就極有可能沒(méi)有足夠大的電壓可供測量。通過(guò)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(wèn)題，但這時(shí)切換分流器就意味著(zhù)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(jiǎn)化復雜的分析
像3G這樣的通信系統采用復雜的調制格式，其特征是傳輸較高的數據率時(shí)所需的高階幅度調制。從時(shí)域上看，生成的電流消耗波形是復雜而隨機的。

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

圖2 從時(shí)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(lái)查看其統計分布。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(guò)查看被抽取電流大小的統計分布，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(shí)消耗更多的能量（也就是說(shuō)，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(shuō)，在小電流狀態(tài)下其時(shí)間的比例增加）。因此，工程師就可以評估出何時(shí)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(chǎn)的產(chǎn)品可處理目標測試系統的不同部分。一些供應商所提供的電源可以在抽取快速電流脈沖時(shí)提供穩定的、類(lèi)似于電池的輸出。

入門(mén)級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(lèi)似于示波器的高速數字化測量系統，可以為設備的活動(dòng)、待機和關(guān)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(hù)在無(wú)須任何編程的情況下，以類(lèi)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。