移动设备的电池消耗分析

     在移动设备的设计中，电池的工作时间是一项重要的因素。许多移动设备都加入了更多的功能，这些新增的功能会快速地缩短运行时间。工程师必须利用复杂的电源管理方案，以便使电池获得最长的运行时间。

　　工程师需要运用电池消耗分析来*估电池运行时间，这种分析需要分别在单独及整合在系统之中这两种情况下来描述设备、固件/软件及其子电路。分析技术包括描述电池电流消耗，以及如何受各种工作模式及使用概况的影响。借助于这种分析，工程师就可以做出电源管理设计权衡，以尽量延长电池寿命。

　　大多数电源管理系统都是通过在亚毫秒时间尺度上使没有在活跃使用中的子系统进入睡眠状态来节省电池能量的。其结果是，设备在不到1s内发生的开/关事件中具有快速变化的电流。例如，GSM手机在传输时可以具有560μs, 2A的脉冲，接着当处于待机模式下，在睡眠周期中电流水平可能会跌落到毫安级。

　　验证电池时间

　　验证电池工作时间的一种方法是使用电压跌落测试，使用一块充满电的电池来给待验证的、处于工作模式下的待测设备（DUT）供电，直到电池没电。这种测试可能相对比较耗时间，因为它需要全部过程运行完成来确定电压关闭点，以确定工作时间。同样，其结果依赖于电池的初始状态，而后者可能会千差万别。

　　另一种方法是执行电流消耗测量，它能为工作时间测量提供更高的可信度。DUT被置于待*估的工作模式下运行一小段时间，并测量在这种特定工作模式中的电流消耗。然后，通过将名义电池容量除以测得的电流消耗来计算出工作时间。使用这种方法，设计师无须等待电池充分放电就能确定出运行时间。

　　理想系统的组成部分

　　在用于执行电池消耗分析的理想系统中（如图1所示），需要的第一个要素是一种将DUT放入适当的工作模式中进行目标测试（DUT激励）的方法。对于移动电话而言，通常会使用基站仿真器。

　　图1 在用于电池电流消耗测量和分析的一般理想系统中存在的几个组成部分

　　其次，需要一种正确的DUT供电方法，使用电池或电源。电源的用途在于独立于电池来测试DUT，以确保测试的一致性，或者快速地复制各种电池状态而无须等待电池达到这些状态（充满电、部分放电、完全放电/寿命结束）。

　　其他重要的系统组成部分有：用于测量电流的电流转换器，用于记录电压和电流信号的数字化仪和用于分析和存储测试数据的软件，这些测试数据用于完成长期测试会非常庞大，能多达数吉字节。

　　测量考虑因素

　　电池消耗分析中使用的电源必须独立于电池来描述DUT。电源必须有快速的响应，以尽量减小DUT在切换模式或传输脉冲时所具有的快速回转电流脉冲所造成的瞬态电压跌落。

　　许多通用电源在这些条件下可能会出现高达1V的瞬态跌落，所以应该使用能够容忍这些条件而不出现电压下降的专用电源（有时称为电池仿真电源）。

　　从电池流向移动设备的快速变化的电流波形提出了两项测量难题：范围和速度。首先，电流的动态范围可能会超过1000:1，甚至1 000 000:1。全功率活动电流位于1～3A的量级，而低睡眠模式等级的电流位于数十微安的量级，所以待测电流的范围给电流转换器的选择提出了一项难题。

　　这里可以使用电流感知的电阻器或分流器，但选择大小合适的分流器却可能颇为棘手。如果分流器的大小适合于测量最小电流，那么在大电流事件中就会在分流器两端出现大的电压降幅，而这将给电路带来不可承受的电压负担。如果分流器的大小适合于测量大电流，那么当微安级电流流过时，就极有可能没有足够大的电压可供测量。通过配备几种分流器用于不同电流大小的测量，工程师可以解决信号级的问题，但这时切换分流器就意味着中断测量。

　　就测量速度而言，用于测量电流分流器电压和移动设备偏置电压的数字化仪应该具有50kHz或更快的采样率，以便捕获亚毫秒级脉冲，后者是复杂的电源管理方案的特征。

　　简化复杂的分析

　　像3G这样的通信系统采用复杂的调制格式，其特征是传输较高的数据率时所需的高阶幅度调制。从时域上看，生成的电流消耗波形是复杂而随机的。

　　当在较长时间内运行并进行不同的操作时，使用3个数据通道进行传输的一台cdma2000手机的射频功率放大器的电流消耗-时间图（如图2所示）变得复杂而不可预测。对于电池工作时间测试而言，这种情况很常见，并且难以观察到更改电流消耗设计的效果。

　　图2 从时域上看（左图），cdma2000手机的射频功率放大器的电流消耗波形是复杂而不可预测的。以CCDF图(b)查看相同的电流波形，设计人员很容易就能够看出设备在每种电流状态下的频繁程度

　　一种较好的可视化和分析复杂的电流消耗模式的方法是使用互补累积分布函数（CCDF）图来查看其统计分布。在CCDF图中，x轴表示电流，而y轴表示其累计发生百分比（如图2b所示）。

　　通过查看被抽取电流大小的统计分布，设计人员可以快速地看到设备在每种电流状态中工作的频繁程度。对于不同设计方案，比较这些CCDF图形，就可以看出设备何时消耗更多的能量（也就是说，在大电流状态下其时间的比例增加），或者何时消耗更少的能量（也就是说，在小电流状态下其时间的比例增加）。因此，工程师就可以*估出何时设计更好（需要较少的能量）或者找出设计缺陷（出人意料的需要更多能量）。

　　现成的解决方案

　　几家测试设备供应商所生产的产品可处理目标测试系统的不同部分。一些供应商所提供的电源可以在抽取快速电流脉冲时提供稳定的、类似于电池的输出。

　　入门级解决方案是安捷伦科技公司的移动通信直流源66300系列。这一系列是特别定制的，用于给移动设备供电并同时测量其电流消耗。它整合了电池仿真电源和类似于示波器的高速数字化测量系统，可以为设备的活动、待机和关闭模式提供准确的电流测量。

　　这种直流源及其配套的交钥匙软件可以使用户在无须任何编程的情况下，以类似于示波器的视图、数据记录仪视图并在CCDF图表上看到它们的电流波形。如果对精度和采样速率有更高的要求，还可以选择该公司提供的其他解决方案。