- 電池消耗的理想系統(tǒng)的組成部分
- 電池消耗的測(cè)量考慮因素
- 電源必須有快速的響應(yīng)
- 選擇大小合適的分流器
工程師需要運(yùn)用電池消耗分析來(lái)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(lái)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(zhǎng)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(lái)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(cè)試，使用一塊充滿電的電池來(lái)給待驗(yàn)證的、處于工作模式下的待測(cè)設(shè)備（DUT）供電，直到電池沒電。這種測(cè)試可能相對(duì)比較耗時(shí)間，因?yàn)樗枰窟^程運(yùn)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(jié)果依賴于電池的初始狀態(tài)，而后者可能會(huì)千差萬(wàn)別。
另一種方法是執(zhí)行電流消耗測(cè)量，它能為工作時(shí)間測(cè)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(cè)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(cè)得的電流消耗來(lái)計(jì)算出工作時(shí)間。使用這種方法，設(shè)計(jì)師無(wú)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(cè)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(cè)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(lái)測(cè)試DUT，以確保測(cè)試的一致性，或者快速地復(fù)制各種電池狀態(tài)而無(wú)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(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)的軟件，這些測(cè)試數(shù)據(jù)用于完成長(zhǎng)期測(cè)試會(huì)非常龐大，能多達(dá)數(shù)吉字節(jié)。
測(cè)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(lái)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。
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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(cè)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1000000:1。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(cè)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(cè)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(lái)不可承受的電壓負(fù)擔(dān)。如果分流器的大小適合于測(cè)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(cè)量。通過配備幾種分流器用于不同電流大小的測(cè)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(cè)量。
就測(cè)量速度而言，用于測(cè)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(jiǎn)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(zhǎng)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(cè)。對(duì)于電池工作時(shí)間測(cè)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(cè)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(lái)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(cè)試設(shè)備供應(yīng)商所生產(chǎn)的產(chǎn)品可處理目標(biāo)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量。
這種直流源及其配套的交鑰匙軟件可以使用戶在無(wú)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。
