如何分析移動設備中的電池消耗

在移動設備的設計中，電池的工作時間是一項重要的因素。許多移動設備都加入了更多的功能，這些新增的功能會快速地縮短運行時間。工程師必須利用復雜的電源管理方案，以便使電池獲得最長的運行時間。

　　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(shù)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(jié)果是，設備在不到1s內(nèi)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(jié)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?shù)墓ぷ髂Ｊ街羞M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(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的數(shù)字化儀和用于分析和存儲測試數(shù)據(jù)的軟件，這些測試數(shù)據(jù)用于完成長期測試會非常龐大，能多達數(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(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出現(xiàn)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(xiàn)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1000000:1。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(shù)十微安的量級，所以待測電流的范圍給電流轉(zhuǎn)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(xiàn)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(shù)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。