電池供電設備的強勁增長和不斷縮減的產品開發計劃要求工程師比以往更快地獲得電池電量消耗洞察。有很多方法可以應對這一挑戰；每個都有優點和局限性。本文介紹了設計和驗證工程師快速獲得視覺洞察并優化電池壽命的幾種方法。

快速查看波形

第一步是獲得電流波形隨時間變化的高級概覽。這將使您了解電流變化的速度以及準確測量所需的動態范圍的大小。如果您的儀器測量范圍的動態范圍不夠大，您可以切換到更高的測量范圍或使用自動量程測量。較高的測量范圍將容納最大的電流值，但在范圍的低端準確度較低，這是物聯網設備大部分時間處于睡眠或休眠模式的地方。另一方面，量程之間的自動量程將導致測量毛刺，從而導致量程變化期間的測量不準確。

圖 1：Keysight X8712A IoT 設備電池壽命優化解決方案上顯示的電流波形。

放大以查看詳細信息

一旦您對波形有了一個整體的了解，下一步就是放大電流波形并檢查電流消耗的細微??變化。波形可能會讓人覺得設備只是在低功耗睡眠模式和全開操作之間切換，但放大后的波形揭示了一個更復雜的圖片，提示了有關設備行為的有趣問題。例如，在圖 2 中，是什么事件導致了這三個大尖峰？為什么它們看起來是均勻分布的，它們能持續多久，它們消耗了多少電量？

圖 2：電流波形的放大視圖。

對波形進行時間切片

為了幫助回答有關設備電荷消耗、設備設計和驗證的問題，工程師使用一種稱為基于事件的功率分析的技術來深入了解與各種電流水平相關的 RF 和子電路事件。工程師可以根據這些事件對電流波形進行時間切片，以快速了解在用戶定義的操作期間各種事件如何與電荷消耗相關聯。

圖 3：具有同步射頻功率（綠色）的時間切片電流波形（黃色）。

例如，在圖 3 中，黃色軌跡顯示隨時間變化的電流，綠色軌跡顯示同一時間尺度的 RF 功率。這些射頻功率脈沖與電流波形中的最高脈沖明顯同步。

從表中快速獲取數字

視覺圖像很有用，工程師也喜歡數字數據。查看與時間切片波形相關的統計數據的表格視圖，可為工程師提供在各種條件下量化其設備性能所需的信息。

例如，圖 4 中的表格清楚地表明，該設備超過四分之一的電荷消耗發生在射頻功率相對較高的時期。在同一時期，器件有將近一半的時間處于待機（低電流）模式，但待機模式下發生的電流消耗不到 3%。該表還顯示了在選定的時間范圍內沒有發生的事情。例如，我們可以得出結論，為標稱 3.5V LED 供電的 LED 電源電壓從未上升到 2 到 5 伏之間的值，因為消耗的時間和消耗的電荷都顯示為零。

圖 4：基于事件的功率分析表總結了時間切片電流波形。

一目了然獲取相關消費數據

當然，有時條形圖的視覺沖擊是有幫助的。例如，圖 5 中的圖表提供了與圖 4 表的 Charge Consumed 行中可用的數據相同的數據，但許多人喜歡能夠一目了然地獲得關鍵點。

圖 5：基于事件的功耗分析顯示了事件的電流消耗。

了解時間和電荷消耗與電流

條形圖是一種清晰直觀的數據查看方式，另一種稱為互補累積分布函數 (CCDF) 的工具需要更多解釋。但是，它還提供了其他圖形圖像中找不到的豐富數據。CCDF 有一條或多條線，這些線總是從 100% 開始，隨著 X 軸上當前水平的增加，在垂直軸上變為 0%。例如，圖 6 中的 CCDF 有一條藍線表示電荷消耗，一條黃線表示如何花費時間。水平軸使用對數刻度來表示從 1 μA 到 1 A 的電流水平。

圖 6：互補累積分布函數 (CCDF)。

在圖 6 中，用戶的鼠標指針懸停在 X 軸上大約 41 μA 處，藍色和黃色工具提示顯示 Y 值大約為 99% 和 60%。這意味著設備在 41 μA 以上的電流水平上花費了大約 60% 的時間，但在 41 μA 以上的電流水平上消耗了超過 99% 的電量。當然，也可以從相反的、朝左的方式讀取圖表：設備在低于 41 μA 的電流下花費大約 40% 的時間，但不到其充電的 1%。

CCDF 中的關鍵見解通常出現在垂直下降陡峭或平臺較長的地方。例如，該器件大約 40% 的時間都在大約 40 μA 的電流下運行，但在 40 μA 和 1 mA 之間的時間相對較少。藍色（電荷）線上的長平臺表明該器件在低于 1 mA 的電流下消耗很少的電荷，而在非常接近 10 mA 的電流下消耗大量電荷。當然，有些 CCDF 軟件允許您放大圖表以獲得更精確的信息。

CCDF 圖表還允許設計工程師記錄設備操作隨時間的變化。例如，當設備使用不同版本的固件或不同的處理器運行時，比較 CCDF 圖表可能很有用。

獲取自動當前配置文件

也許生成電荷消耗統計數據的最簡單和最強大的方法是使用自動電流分析儀，例如在設備電流波形分析儀上找到的那種。顧名思義，自動電流剖面儀使用垂直線將電流波形剖面分成不同的段。然后它生成與每個分段相關的統計數據，包括分段的開始時間和持續時間以及分段內的最小、最大和平均電流水平。它還積分以找到電流波形曲線下的面積，該面積代表消耗的電荷。段定義基于用戶指定的參數，用戶還可以移動、添加和刪除段標記。

圖 7：Keysight CX3300 設備電流波形分析儀上的自動電流分析儀。

結論 – 使用一系列可視化工具

對于電池供電設備的設計者或程序員來說，這是一個激動人心的時刻。挑戰很大，工程師有各種各樣的軟件工具來應對這一挑戰。通過在正確的時間使用正確的工具，工程師可以將具有出色電池壽命的產品快速推向市場。

審核編輯：劉清