如何分析移動(dòng)設(shè)備中的電池消耗

在移動(dòng)設(shè)備的設(shè)計(jì)中，電池的工作時(shí)間是一項(xiàng)重要的因素。許多移動(dòng)設(shè)備都加入了更多的功能，這些新增的功能會(huì)快速地縮短運(yùn)行時(shí)間。工程師必須利用復(fù)雜的電源管理方案，以便使電池獲得最長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。

　　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(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(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。