電池供電設(shè)備的強(qiáng)勁增長和不斷縮減的產(chǎn)品開發(fā)計(jì)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(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)；每個(gè)都有優(yōu)點(diǎn)和局限性。本文介紹了設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工程師快速獲得視覺洞察并優(yōu)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(shí)間變化的高級(jí)概覽。這將使您了解電流變化的速度以及準(zhǔn)確測(cè)量所需的動(dòng)態(tài)范圍的大小。如果您的儀器測(cè)量范圍的動(dòng)態(tài)范圍不夠大，您可以切換到更高的測(cè)量范圍或使用自動(dòng)量程測(cè)量。較高的測(cè)量范圍將容納最大的電流值，但在范圍的低端準(zhǔn)確度較低，這是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備大部分時(shí)間處于睡眠或休眠模式的地方。另一方面，量程之間的自動(dòng)量程將導(dǎo)致測(cè)量毛刺，從而導(dǎo)致量程變化期間的測(cè)量不準(zhǔn)確。

圖 1：Keysight X8712A IoT 設(shè)備電池壽命優(yōu)化解決方案上顯示的電流波形。

放大以查看詳細(xì)信息

一旦您對(duì)波形有了一個(gè)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(xì)微??變化。波形可能會(huì)讓人覺得設(shè)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(gè)更復(fù)雜的圖片，提示了有關(guān)設(shè)備行為的有趣問題。例如，在圖 2 中，是什么事件導(dǎo)致了這三個(gè)大尖峰？為什么它們看起來是均勻分布的，它們能持續(xù)多久，它們消耗了多少電量？

圖 2：電流波形的放大視圖。

對(duì)波形進(jìn)行時(shí)間切片

為了幫助回答有關(guān)設(shè)備電荷消耗、設(shè)備設(shè)計(jì)和驗(yàn)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(shù)來深入了解與各種電流水平相關(guān)的 RF 和子電路事件。工程師可以根據(jù)這些事件對(duì)電流波形進(jìn)行時(shí)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(guān)聯(lián)。

圖 3：具有同步射頻功率（綠色）的時(shí)間切片電流波形（黃色）。

例如，在圖 3 中，黃色軌跡顯示隨時(shí)間變化的電流，綠色軌跡顯示同一時(shí)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(shù)字

視覺圖像很有用，工程師也喜歡數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。查看與時(shí)間切片波形相關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的表格視圖，可為工程師提供在各種條件下量化其設(shè)備性能所需的信息。

例如，圖 4 中的表格清楚地表明，該設(shè)備超過四分之一的電荷消耗發(fā)生在射頻功率相對(duì)較高的時(shí)期。在同一時(shí)期，器件有將近一半的時(shí)間處于待機(jī)（低電流）模式，但待機(jī)模式下發(fā)生的電流消耗不到 3%。該表還顯示了在選定的時(shí)間范圍內(nèi)沒有發(fā)生的事情。例如，我們可以得出結(jié)論，為標(biāo)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?yàn)橄牡臅r(shí)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(jié)了時(shí)間切片電流波形。

一目了然獲取相關(guān)消費(fèi)數(shù)據(jù)

當(dāng)然，有時(shí)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(shù)據(jù)相同的數(shù)據(jù)，但許多人喜歡能夠一目了然地獲得關(guān)鍵點(diǎn)。

圖 5：基于事件的功耗分析顯示了事件的電流消耗。

了解時(shí)間和電荷消耗與電流

條形圖是一種清晰直觀的數(shù)據(jù)查看方式，另一種稱為互補(bǔ)累積分布函數(shù) (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(shù)據(jù)。CCDF 有一條或多條線，這些線總是從 100% 開始，隨著 X 軸上當(dāng)前水平的增加，在垂直軸上變?yōu)?0%。例如，圖 6 中的 CCDF 有一條藍(lán)線表示電荷消耗，一條黃線表示如何花費(fèi)時(shí)間。水平軸使用對(duì)數(shù)刻度來表示從 1 μA 到 1 A 的電流水平。

圖 6：互補(bǔ)累積分布函數(shù) (CCDF)。

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

CCDF 中的關(guān)鍵見解通常出現(xiàn)在垂直下降陡峭或平臺(tái)較長的地方。例如，該器件大約 40% 的時(shí)間都在大約 40 μA 的電流下運(yùn)行，但在 40 μA 和 1 mA 之間的時(shí)間相對(duì)較少。藍(lán)色（電荷）線上的長平臺(tái)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(dāng)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(shè)計(jì)工程師記錄設(shè)備操作隨時(shí)間的變化。例如，當(dāng)設(shè)備使用不同版本的固件或不同的處理器運(yùn)行時(shí)，比較 CCDF 圖表可能很有用。

獲取自動(dòng)當(dāng)前配置文件

也許生成電荷消耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的最簡(jiǎn)單和最強(qiáng)大的方法是使用自動(dòng)電流分析儀，例如在設(shè)備電流波形分析儀上找到的那種。顧名思義，自動(dòng)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(gè)分段相關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，包括分段的開始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間以及分段內(nèi)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(shù)，用戶還可以移動(dòng)、添加和刪除段標(biāo)記。

圖 7：Keysight CX3300 設(shè)備電流波形分析儀上的自動(dòng)電流分析儀。

結(jié)論 – 使用一系列可視化工具

對(duì)于電池供電設(shè)備的設(shè)計(jì)者或程序員來說，這是一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)刻。挑戰(zhàn)很大，工程師有各種各樣的軟件工具來應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。通過在正確的時(shí)間使用正確的工具，工程師可以將具有出色電池壽命的產(chǎn)品快速推向市場(chǎng)。

審核編輯：劉清