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使用电池耗电量分析，改善移动设备工作时间

通过使用专用工具和分析技术，可以帮助您创造出延 长电池工作时间的移动设备设计方案

电池工作时间一直是移动无线 设备设计中的关键因素。随着移动 设备变得越来越小、越来越轻，使用 大电池并不是好的选择。相反，设计 方案必须*大限度地利用电池容量。 分析电池耗电量可以帮助优化这些 设备的电池工作时间。

电池耗电量分析并不只是估算 电池工作时间。电池耗电量分析必 需测试和检定设备、子电路和电池， 其既要独立进行，又要结合进行。其 中包括采用各种方法，使用不同的 设备工作模式和参数，检定电池耗 电量，从而查看设备工作怎样影响电池耗电量。这就可以分析影响电 流耗电量的设计缺点，进而设计设 备，*大限度地提高电池工作时间。

可以在移动无线设备设计阶段 使用电池耗电量分析延长电池工作 时间的实例包括：
分析由于数据传输中的变化导致 的耗电量差异，优化工作时间。 某些变化包括分组长度与分组数 量关系、使用的数据信道数量随 传输时间变化。
量化由于数字基带工作中进行的 变化导致的耗电量差异，优化数 据处理的功率效率。
识别异常行为，测量其对功耗的 影响。异常事件包括异常长或异 常高的脉冲，以及导致因电量不 足而过早关机及降低电池工作时 间的随机过载。
量化耗电量分布，帮助确定动 态功率和电流要求，允许选择 相应的电池、 稳压器和功率管 理电路。

传统方法
通过考察检验电池工作时间采 用的传统方法，可以作为讨论依据， 说明为什么这些方法对进行电池耗 电量分析及描述更好的系统都是不 够的。

检验电池工作时间的一种传统 方法是使用电压耗尽时间测试。使 用认真充电的电池，把被测设备 (DUT) 置于要检验的工作模式中。 在 DUT 运行、*后关机时，记录电 池电压随时间的变化。在图 1 中，2.25小时的电压拐点说明了在发生电量不足而关机前DUT 运行的时间。



这种方法有许多优势，其实现起来 相对简单，电压测量非常简明，不会 影响结果的精度。由于变化速度慢， 低取样速率就足够了。*后，由于它 是一种全长测试，因此用户可以使 用模拟实际环境条件的动态工作条 件，运行基准类型的测试。

这种方法的一个缺点是它耗时 相对较长。一旦开始，它必须一直运 行到结束，才能确定电池工作时间。 另一个缺点是，结果取决于电池的 初始状态，其变化相当大，不一定代 表典型的电池。此外，其得到的** 结果是工作时间。检验 DUT 耗电量 和电池容量可以在工作时间结果中 实现高得多的信心。

确定电池工作时间的另一种方法是进行耗电量测量。这种方法也 使用充满电的电池，DUT 被置于要 评估的工作模式下。然后在规定时 间内测量平均耗电量，这一时间视 为代表整体运行时间。然后把用毫 安小时表示的声称电池容量除以用 毫安测得的耗电量，就可以计算得 出工作时间。

这种方法的优点是，与全部运 行时间相比，确定电池工作时间所 需的时间要少得多，而且现在量化 了平均耗电量。如果声称的电池容 量是 DUT 负载有代表性的时间，工 作时间应该比较**。

耗电量方法的缺点是，由于高 速度高幅度脉冲式负载，需要以高 速率对电流取样，以保证获得** 的平均值。 有一种规范推荐采用
50-kHz 的取样速率。另一个缺点 是，运行短时间测试本身不如采用 一系列不同工作条件运行长期的基 准型测试。

此外，测量电流要比测量电压 困难，很容易会导致错误。

理想系统

测量电池工作时间的传统方法 具有许多局限性，不能提供必要的 信息，为优化设计提供要求的信息。 进行电池耗电量测量和分析的理想 系统将：

正确为 DUT 供电 记录电池耗尽电压，检验工作 时间 **测量从毫安级到安培级的的 电流 能够在几分钟到几天内记录耗电 量和其它数据，满足各种测试环 境要求

提供基本测试结果的测试后摘 要，如运行时间、平均电流、平 均电压及消耗的安培小时和瓦特 小时

提供数据分析，了解运行异常怎 样影响电池工作时间，实现设计 优化

基于这些要求，电池耗电量测 量和分析中的通用系统将具有图 2 所示的组成要素。下面介绍了每种 要素的传统解决方案及更好的新型 方法。



首先，需要一种手段把 DUT 置 于希望测试的相应工作模式下(DUT 激励源)。对移动电话，通常使用基 站模拟器与其进行交互，为 DUT 运行提供必要的协议通信。**，要求 一种手段为 DUT 正确供电，其可以 使用电池或电源。电源适合独立于 电池进行 DUT 测试。同样，电池调 节器 / 分析仪有助于独立于 DUT 评 估电池。其它重要系统要素是在不 引入错误的情况下测量电流使用的 传感器，在长期内数字转换和记录 电压和电流信号的设备，以及存储 数字化测试结果、提供测试后分析 的系统。

电源选项

电源为 DUT 提供受控电源。电 池是进行运行时间检验测试中使用 的传统电源，*好使用实际电源，这 样可以综合测试电池和DUT。但是， 电池并不是受控电源，其电压会随 着用途、温度和电荷而连续变化。其 它测试*好使用压控电源。

电源可以提供不会随着时间变 化的受控电压。通过远程电压传感 技术，用户可以控制 DUT 输入上的 电压。但是，使用通用电源的问题在 于，其电压响应不同于电池，因为其 瞬时响应慢及输出电阻为零。理想的电源应采用具有快速瞬时响应和 可设置输出电阻的专用电源，这样 它可以仿真电池的响应。



在为运行偏置范围仅 1 - 4 V 的 数字无线设备供电时，使输出电压 瞬态跌落达到*小至关重要。通用 电源通常为广泛的负载和条件提供 稳定的直流电源。它一般采用较大 的输出电容器，降低输出波动电压， 但这会导致缓慢的瞬时电压响应。 图 3 (左图)显示了通用电源约有 80 mV的瞬时电压下跌，以对支持蓝牙 的耳机脉冲负载作出响应。它使用 的导线长度相对较短(1 米)，是典型 的工作台设置。

相比之下，在使用瞬时电压响 应快的电源时(专为数字无线设备供 电而设计) ，瞬时电压跌落明显下 降。图 3 (右图) 显示了在由安捷伦移动通信直流电源为耳机供电时， 瞬时电压下跌降到大约 12 mV，这 是为用于测试移动通信设备专门设 计的电源。



电池电阻还影响着设备的运行 时间。图 4 说明了 GSM 移动电话的 负载特点，对比了其在通过实际电 池供电及通过电源供电时的性能。 许多移动设备会吸收更高的峰值电 流和平均电流，电池内阻导致了工 作电压下降。

在上图 ( 使用实际电池进行测 试) 中，电池电压下跌了大约 300 mV，造成 GSM 移动电话发送突发 电流上升。这一响应会使耗电量提 高大约 5%。另一个影响是峰值电压 下跌将导致移动电话提前进入电量 不足关机状态。

在下图中(使用零输出电阻的电 源进行测试)，耗电量约比实际使用 电池的耗电量低 5%。确切差异取决 于特定的移动电话设计。结果，根据 使用零输出电阻的电源进行的电流 测量结果估算的工作时间会高于使 用实际电池得到的结果。



这里，电池也不是理想的电压 电源。图 5 (左)说明了由于电池内 电，电池输出电压怎样下跌，以对负 载电流作出响应。除具有快速瞬时 电压响应外，电源应具有可编程输 出电阻，以仿真电池的内阻和电压 响应。

图 5 (右)显示了安捷伦移动通 信直流电源的电压响应，其输出电阻编程为与 170 毫欧的电池内阻相 匹配。其电压响应性能与电池相同。

在进行耗电量分析时，专用电 源在许多方面要优于实际电池，因 为其输出电压和输出电阻可以控制， 不会随时间变化。在进行受控试验 及比较不同设备和设计变化时，在 测量期间保持固定供电可以从变量 表中去掉电源因素。

测量耗电量的不同方式
电池耗电量分析系统的下一个 要素是测量耗电量的电流传感器。 耗电量动态范围宽要求两个量程来 测试两个主要工作模式：待机模式 和工作模式。脉冲式电流高峰值、相 对与DC平均值相对较低的特点，要 求相对较高的量程及非常好的全标 精度，以在平均值较低时保证充足 的精度。一般来说，待机状态需要1A 范围，工作状态需要 5A 范围，基 本精度为全量程的 0.2%。

一种传统解决方案是电流传感 器并联。DC 电压跌落在并联中也是 一个问题。GSM TW.09 规范要求待 机模式和工作模式测试的电压分别 为 0.5 欧姆和 0.1 欧姆。根据峰值电 流和工作电压，这可能是一个挑战， 特别是对较低的电池电压。假设峰 值分别高达 1A 和 5A，并联电压下 跌将是 0.5V 峰值。这不太适合 4 V 以下的电池电压。

使用并联的其它问题是，热 EMF 电压可能会引入大的偏置误 差，需要解决接地和共模信号，否则 同样会引入误差。

在量程**限制*大电阻和电 压跌落及在量程低端限制错误信号， 使得涵盖使用电流传感器并联时所 需的动态范围变得**挑战性。

**种传统解决方案是夹式直 流电流探头。这种方法的电压跌落 可以忽略不计，但要求定期重新校 准，以补偿漂移。清零偏置及控制漂 移的能力同样限制了电流探头测量 的动态范围。

内置电流测量功能的专用电源 解决了使用外部电流传感器面临的 许多挑战。

数字化方法
下一个要素是系统数字转换器， 它测量 DUT 的并联电压和偏置电 压，把其转换成数字数据，以进行存 储和后期处理。它要求 50 kHz 或更 快的取样速率，以**地捕获不到 一毫秒的脉冲及数字无线设备的异 常特点。

传统解决方案高速模数转换器
(ADC)、取样 DVM 和数字示波器， 所有这些方案都具有深缓冲存储器， 用来缓存高速数据。市场上还提供 了许多专用高速数据记录和存储系 统，但这些系统相当昂贵。较低端的 解决方案可能要求相当大的精力， 针对特定应用进行定制配置。此外， 在延长时间内进行测试时，高速数 据传送可能会成为问题。

集成了高速数字化测量系统的 电源为数字化测量、同时为 DUT 供 电提供了专用解决方案。安捷伦移 动通信直流电源采用基于高速 DSP 的数字化测量系统，其在很大程度 上与数字示波器类似。它有三个直 流电流范围，在为数字无线设备测 试专门定制的工作模式、待机模式 和关机模式下提供**的电流测量。

数据存储和分析

电池耗电量分析系统的*后一 个要素是数据存储和分析。数据存 储要求包括能够记录和存储高速数 字化数据，用来进行几分钟到几天 的测试。分析要求包括运行时间摘 要及对基本结果进行测试后处理。 运行时间结果包括平均电流和电压、 消耗的安培小时和瓦特小时。

分析软件应能够识别数据中的 异常。数字无线设备*常见的异常 包括明显发生的、影响耗电量异常 高或异常长的脉冲，以及可能会由 于电池电压跌落导致设备过早关机 的罕见的随机过载峰值。

传统存储解决方案包括 PC 和 磁盘驱动器或**数据记录器。分 析一般使用商用电子表格软件，搜 索异常事件要求定制编程程序。

带有存储设备的商用数据记录 器系统可能会相当昂贵。运行几小 时到几天的测试会产生数量庞大的 数据和文件，*高会达到千兆字节， 这种容量会变得不可行。因此，采用 高速数据捕获技术的测试在实践中 只会运行几分钟的时间。

理想系统将先处理和减少数 据， 然后提供存储和分析功能。 Agilent 14565A 设备检定软件为安 捷伦移动通信直流电源提供了一个 简便易用的图形前面板。它在 PC 上 运行，具有三种工作模式，提供了电源控制、测量和分析功能，而不 要求任何编程。

波形捕获和分析工作模式为在 短时间内捕获和显示类似示波器的 电池耗电量信息提供了有效方式。 内置测量功能包括平均及脉冲*小 值、低值、高值和*大值。这些功能 可以对电池耗电量和工作时间进行 基本估算和分析。

数据记录和分析工作模式可以 在10秒到1000个小时时间内记录数 据。在这一时间内，安捷伦移动通信 直流电源连续以64-kHz速率对电流 取样，捕获高速详细信息和随机过 载。还可以以低速率对电压取样，支 持测量平均电压和瓦特小时。



图6是屏幕图，显示了测量期间 *小、*大和平均电流及平均电压 波形和数字值的屏幕图。这说明了 以动态顺序运行 DUT，随着时间变 化改变其工作输出发送功率。专用 积分功能解决了传统解决方案的数 据过载问题。

在实时捕获数据时，积分功能 把数据精简为有意义、可管理的结果。在传统方法中，以 64-kHz 速率 取样会在 1 秒钟时间周期结束时产 生 64,000 个数据点。相比之下，通 过使用设备检定软件中的积分方法， 每个积分时间周期( *长为 1 秒) 为64-kHz 取样的数据的每个周期提供 了*小值、*大值和平均值。这有效 地把数据精简了 64,000 倍，而且这 种精简在仪器中实时发生。

精简的数据更有意义，因为它 捕获了相关的平均值和峰值。跟踪 峰值为识别罕见的随机(因此更难捕 获的)过载提供了一种方式，这些过 载会导致因电量不足而过早关机。 在存储、测试后分析和导出方面，精 简的数据现在更容易管理，其对100 个小时以上的时间要求的容量约为
5 MB，对之后每 100 个小时额外要 求 5 MB 的容量。系统把数据记录到 计算机的硬盘上，在因疏忽而中断 测试时防止数据丢失。它不需要把 数据高速流式传送到 PC

CCDF 使复杂的分析变得更加容易

新型数字通信系统(如 3G)采用 复杂的调制格式及**幅度调制传 输更高的数据速率。在时域中观察 时，其得到的耗电量波形具有复杂性和随机性特点。



图 7 显示了对通过三条数据信 道发送信号的cdma2000手机，其RF 功放器的耗电量随时间变化情况。

在电池运行时间测试典型的长 时间内，耗电量也变得更加复杂、更 加不可预测。结果，很难预测平均值 和峰值，估算电池工作时间，或简便 地观察设计变化对耗电量的影响， 以优化电池工作时间。查看和分析 复杂的耗电量模式的更好方式，是 检查其统计分布，如使用互补累积 分布函数(CCDF)图。



CCDF 图是直方图或概率分布 函数的另一种累积形式。它在 X 轴 是显示了电流或电压，在 Y 轴显示 了累积的发生百分比。14565A 设备 检定软件包括 CCDF 捕获和分析模 式，进行长期耗电量测量(图 8)。它 可以用来量化和分析数字无线设备 的直流耗电量，以优化操作，延长电 池工作时间。CCDF 图的一个优点 是，它在幅度更高的电流上扩展了 标度，而幅度更高的电流正是设计 人员关注的领域。

在 CCDF 模式下，设备检定软 件可以在 10 秒到 1,000 小时的时间 周期内连续累加电流或电压。在此 期间，它以64 kHz速率对数据取样， 捕获和检定信号的高速细节。它在 内部累积和构建CCDF，因此不需要 高速流式传送数据或存储大的数据 文件。

数字结果包括平均值与发生百 分比、每 10% 发生概率的峰值和中 间值。内置保存、调用和比较工具量 化了不同 CCDF 图之间的变化。这 提供了有用的功能，可以分析设计 变化的微妙效应，优化设备。CCDF 图中的垂直位移和水平位移量化了
由于设计变化导致的差异，对分析 行为特点及优化电池工作时间至关 重要。垂直位移表明了与时间相关 的变化。引起垂直位移的部分原因 包括脉宽的特定幅度不同于预期值， 或脉宽发生速率不同于预期值。水 平位移表明与幅度有关的变化。水 平位移的一个原因是某个脉冲吸收 的电流数量不同于预期值，这可能 是由于 RF 输出功率控制校正不当引起的。

专用工具，促进设计优化 在电池工作时间测试中采用电 池耗电量分析工具和技术，可以分 析和优化设计，实现*大的电池工作时间。安捷伦移动通信直流电源 等专用解决方案可以更快、更** 地进行耗电量测量。具有程控电阻 的快速响应供电技术可以模拟电池 的性能。集成式高速数字测量系统 解决了采用传统电流并联、探头和 数字转换器的挑战。设备检定软件 提供的数据记录和分析功能改善了 设计分析和优化，有效精简了数据， 可以查看长期耗电量。这些工具有 效补充了移动无线设备产品开发中 使用的整体测试系列。
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