电池保护应用AccuBattery宣称只将手机电池最多充至80%能有效延长电池寿命是否有科学依据？

物联网连接上亿个器件，并通过传感器网络传输有用的数据和控制信息。尽管物联网可以使用有线传感器，但是无线传感器具有更容易部署和灵活性更高的特点。无线传感器网络将监测诸如热、光、压力等环境参数的变化，从而显著改善智能电网、智能交通、车队跟踪、工业控制以及家庭安全等应用。总之，无线传感器网络将成为支撑物联网的关键技术。

然而，无线传感器在很多应用场景下只能使用电池进行供电，这限制了它们的使用时间。如果无线传感器电量耗尽，传感器就变得毫无用处。

要延长电池供电时间，最简单的方法是使用更大的电池，也就是容量更高的电池。但客户一般希望传感器体积较小却又能提供高性能，即能够传输大量数据，同时具备局部智能和数据处理能力。换句话说，这种方法与客户的期望完全相反。

在不增加电池体积的情况下，节省电池能量的典型方法是将无线传感器的运行细分成一系列的活动，并使每一个活动仅在特定的时间段内以特定的功率电平执行。传感器在消耗电能完成所需的活动之后，就进入功耗较低的空闲或休眠模式。

作为一名设计工程师，您需要从全局考虑，找到电池体积与无线传感器功能之间的平衡点，以便让小电池既能发挥最佳性能，又能持续工作足够长的时间。这需要对电池供电时间和电流消耗有更深入的了解，但是传统的测量技术无法做到这一点。

如何估计电池供电时间与实际电池供电时间？

电池含有一个预定义数量的能量（瓦时（Wh））和容量（安时（Ah））。如果您知道器件工作需要多大的功率，就能估算出电池的供电时间。

电池能量等于额定电压（V）和容量（Ah）的乘积。

额定电压是凭借经验确定的电池放电曲线的中点值，可以正确关联电池的能量与容量。

然而，在实际运行过程中，器件的电池供电时间通常比使用上述任何一个公式所得的数值短。大品牌的电池会提供详细的技术指标，并注明同一类型的电池容量通常存在 5%-10% 的差异。但是，即便按照最少的电池容量来计算，电池的实际供电时间仍然少于计算结果，器件在预期时间之前就会停止工作。这是由动态的电流消耗造成的。

随着越来越多的电子设备采用便携式设计并综合多种特性，电池使用时间已经成为决定产品差异化和客户满意度的关键因素。下面这 10个技术概述将为您介绍一些基本的使用诀窍，帮助您最大限度延长移动设备 (例如手机电池寿命。）

1. 获得精确电流消耗波形, 为优化电池工作时间提供更详细的信息

2. 提高测量精度, 确保省电模式下更长的电池使用时间

3. 通过对分布图分析, 快速优化电池使用时间

4. 电池仿真提供更真实的移动设备测试结果

5. 简化电池容量和额定能量的验证流程

6. 简化实际使用负载工作条件下, 电池容量和能量的验证流程

7. 智能手机和移动设备电池损耗测试, 真实地评估电池性能

8. 验证手机充电管理功能, 以获得最佳的电池性能和可靠性

9. 优化移动设备的子电路和功能模块, 以延长电池使用时间

10. 验证在实际条件下的电池使用时间

技巧 1: 获得精确电流消耗波形, 为优化电池工作时间提供更详细的信息

深入分析智能手机及移动设备的工作情况，是优化电池关键时间的关键。

如果想要轻松验证电池工作时间，您可以将移动设备视为一个黑盒子，直接测量其电池的工作时间，或测量较长时间内的电流消耗，然后根据标称的电池毫安时容量推测出工作时间。大多数认证测试只是验证电池使用时间。

然而，为了优化电池工作时间，通常需要设计团队使用几种不同的测试方法进行深入分析，这远远超出了仅仅对电池工组时间的验证。您不仅需要对元器件、部件、子电路和电池等进行单独的表征，而且还需要进行综合测试。详细地表征设备耗电特性可以更深入地分析器件的工作情况，以便您根据情况做出权衡，并优化电池使用时间。

利用高速、高分辨率的数字化仪对电流消耗工作波形进行数字化，可提供更详细的信息，以优化电池使用时间。

在宽动态测量范围内，以 50 KSa/s 或更高速率，对电池电流消耗波形进行数字化，可以为深入的分析提高充足的信息，以优化电池使用时间。

您可以采用多种方法来获得精确的波形，其中某些方法具有一定的局限:

• 利用电流探头和示波器可对高速波形进行数字化。然而, 示波器有限的动态范围、低精度和高噪声会严重限制这种方案的可行性。

• 相比于电流探头和示波器, 高采样率数采系统和精确的分流器能够提供更佳的精度和更宽的范围。但您必须使用低阻值的分流器, 以确保电流峰值时, 分流器电阻造成的压降保持最小, 以便不影响移动设备正常工作。然而, 低阻值分流器较小的分流器压降, 会严重限制电流测量动态范围和精度。

• 某些专用的直流电源分析仪结合了高速数字化仪和高动态范围的电流测量系统, 无需使用外部分流器电流探头, 可以精确地表征移动设备的电流损耗, 而不会出现压降问题。

从智能手机的电流消耗波形获取详细信息的实例:

例如，图 1 显示使用KEYSIGHT N6781A SMU 电源模块 14585A 耗电分析软件测得的手机在呼叫过程中的电流消耗。N6781A 是一款专用的电池仿真器直流源模块，可为移动设备供电，并同时以超过 195 KSa/s 的高采样速率和高达 28 bit 的分辨率，对手机工作电流进行从纳安级到安培极的无缝隙测量。凭借高动态测量范围和高速数字化能力，该电源模块可以快速、深入地进行分析，以优化电池使用时间。

通过对智能手机进行深入分析，可得出:

• 待机状态消耗电流值

• 待机状态持续时间

• 待机状态下, 激活持续时间和电流值

• 发射状态消耗电流和 RF 功放附加效率 (PAE)

• 发射状态电流持续时间

• 以及其它更多的耗电参数。

借助适当的测量功能，电流消耗成为了获取详细信息以优化移动无线器件电池使用时间的窗口。

图 1: GPRS 智能手机通话模式电流消耗波形详情。

技巧 2: 提高测量精度, 确保省电模式下更长的电池使用时间

精确测量智能手机和无线移动设备在省电工作模式下的电流消耗, 是优化电池使用时间的一项基础任务。

智能手机和移动设备，会具有高功率发射模式，但其大部分时间还是处于待机模式，或其它类似的省电模式上。其他的一些器件，例如无线传感器，可能只有省电工作模式。尽管此功耗可能看起来微不足道，但由于它们的绝大多数时间处在省电模式上，因此会消耗电池的大部分甚至全部的容量。

在省电工作模式下，手机和无线移动设备大多数时间都处于低功率休眠状态，定期唤醒并短暂地进入高功率活动状态，以接收信号，或发射信号到基站。这时的消耗电流波形是典型的脉冲波形，具有以下特性:

• 几秒至数十秒的周期

• 百分之几到十的极低占空比

• 接近一百或更高的超高波峰因数

基本待机电流和发射过程中的脉冲电流，通常都是总平均值的重要部分，因此需要对极端值及中间值都进行精确的测量。

经验证明，精确测量省电工作模式下的电流消耗对于传统测试设备来说是一项巨大的挑战。这要求测试仪器，包括数采和数字化仪，能够在足够长的时间内进行快速采样和高分辨率精确地测量，这不仅需要大量的数据记录，其固定测量量程也无法提供足够的动态范围，来精确测量脉冲峰值和休眠底电流。因此，它们是很难为预测和优化电池使用时间提供正确的依据。

由于很高的峰值，而平均值很低，测量仪器在所需测量量程上的偏置误差通常与被测信号平均值相当，从而导致不可接受的高测量误差。有时可采取一些变通方法来改进某些测量，但这常常会有极大的负面影响。

省电模式下电流消耗测量实例:

让我们看一个省电工作模式实例。无线温度传感器的发射机具有脉冲电流消耗和以下特性:

• 周期: 4 秒

• 占空比: 0.17%

• 波峰因数: 400

图 2.1: 无线温度传感器发射机电流消耗, 固定量程调节测量

Keysight N6781A SMU 电源模块用于为温度传感器的发射机供电，并对其电流消耗波形进行测量。N6781A 结合了高速数字化仪，可测量无线移动设备和器件的动态电流消耗。如图 2.1 所示，首先将 N6781A 设置在 100 mA 固定量程上测量电流消耗。这与使用传统测试仪器相当。然而，N6781A 结合了一个创新测量技术，能够无缝自动量程调节，以超过 195 KSa/s 的速率对从毫微安到安培的移动设备电流消耗波形连续进行数字化，并在极高动态范围内提供精确的电流测量结果。

图 2.2 显示的是利用 N6781A 无缝量程调节功能改进测量结果。

图 2.2: 无线温度传感器发射机电流消耗, 无缝量程自动调节测量

通过功能提升，得到更为详细的信息:

• 休眠底电流测量精度提高了 97 倍, 误差从 115% 降到 1.15%

• 总体平均电流测量精度提高了 77 倍, 误差 18.9% 降低到 0.245%

• 本底噪声降低了 5 倍, 从 47 μA 到 10 μApp, 而且高速数字化仪能够更深入地分析休眠电流活动

• 高速数字化仪可以更深入地分析信号发射过程中的耗电特性

• 在高动态测量范围内进行高速数字化, 可获得详细且有用的信息, 精确测量省电工作模式下电流的工作特性, 以便优化移动无线设备和器件的电池使用时间。

技巧 3: 通过对分布图的分析, 快速优化电池使用时间

要优化电池使用时间，您需要一种快速、简单的方法，来查看和量化设计改进对智能手机和无线移动设备长时间耗电的影响。

从根本上讲，移动设备及其子电路的活动都随时间而随机变化，主要取决于用户行为、其工作的网络环境和设备的复杂性。因此，与其活动相关的耗电相应地随时间而随机变化。如果在完成一项设计的改进后，希望验证它对优化电池使用时间的效果，往往需要在足够长的时间段内记录电流消耗，通过取平均值的方法，来对比设计改进前后平均电流的差异，以此判断此项变化的净影响。然而，优化电池使用时间时，您需要更详细的了解设计的改进带来的实质影响。您是否得到了期望的效果? 您如何判断设备中的哪一个电路和活动受到了影响? 您可以使用一种手动滚动数据记录的方法，来测评涉及各种电路和相关活动的脉冲电流强度和持续时间。

这种方法虽然有用，但有一些弊端:

• 非常耗时。

• 由于长期处于随机状态, 许多值是在最佳状况下估算出来的。

• 由于很难在长达几小时记录的数据中, 检测和量化无数持续时间为几毫秒的活动。因此可以轻松得出不正确的结论。

• 虽然长期记录移动设备的电流消耗是必要的，但很难靠直接目视检所记录数据的详情。您需要对各种方法进行分类，以便在优化电池使用时间时，快速、高效地分析长期耗电记录。

分析概率分布函数图，能够快速、简明地查看和量化设计改进导致的长期耗电的细节差异。

您可以使用一种更有效的方法快速、简明地查看和量化设计改进对移动设备的影响，该方法是分析长期电流消耗的概率分布函数 (PDF) 的轮廓图。PDF 是随时间变化的电流消耗样本图，根据给定电流强度的相关频率而绘制，总添加高达 100%。

直方图是得到最广泛认可的 PDF 形式。但是，特定的互补累积分布函数 (CCDF) 适用于快速查看和分析长期电流消耗并量化设计改进的影响。

什么是互补累积分布函数CCDF?

累积分布函数 CDF

随机变量小于或者等于某个数值的概率P（X<=x），即：F(x) = P(X<=x)

累积分布函数（cumulative distribution function）：对连续函数，所有小于等于a的值，其出现概率的和。F(a)=P(x<=a)

CDF trace data displays the cumulative distribution function (CDF) for the selected input channel. CDF is computed by integrating the PDF (Probability Density Function).

The CDF is computed from the segment of the OFDM burst specified by the Measurement Interval and Measurement Offset. If the Offset is zero and the Interval is equal to the result length, the burst preamble is included in the CDF.

　累计分布函数图：

累计分布函数图

累积分布函数 (CDF) = ∫ PDF (曲线下方的区域 = 1 或 100%)。

互补累积分布函数 CCDF

CCDF是互补累计分布函数（Complementary Cumulative Distribution Function）的简称。互补累积分布函数（CCDF）通常是指以数位被调制信号的峰值功率统计数值为特性的一种方法。

– 互补累积分布函数 (CCDF) = 1-CDF

CDF 轮廓为 0% 至 100% 的概率，而 CCDF 轮廓是 100% 至 0% 的概率。

CCDF trace data displays the complementary cumulative distribution function (CCDF) for the selected input channel. The complementary cumulative distribution function is a statistical power calculation and can only be performed on time-domain data. CCDF is the complement of CDF and is defined as follows:

CCDF provides better resolution then CDF for low prebability signals, especially when log format is used for the y-axis.

The CCDF is computed from the segment of the OFDM burst specified by the Measurement Interval and Measurement Offset. If the Offset is zero and the Interval is equal to the Result Length, the burst preamble is included in the CCDF.

The VSA plots CCDF using units of percent (%) for the y-axis and power (dB) for the x-axis. Power on the x-axis is relative to the signal average power, so 0 dB is the average power of the signal. Therefore, a marker readout of

Trace A Marker 2 dB 12 %

means there is a 12% probability that the signal power will be 2 dB or more above the average power.

注: 图 3.1 中的 CCDF轮廓图，简要扼要地显示通过 Keysight N6781A SMU 模块以及配套的 14585A 控制和分析软件测量和显示智能手机电话在待机期间的长期电流消耗。X 轴是电流消耗的幅度，Y 轴是其相对频率。轮廓图的水平偏移是幅度相关变化，而垂直偏移是时间相关变化。您可以使用这些偏移快速分析和量化设计变化导致的长期电流消耗的细节差异，以优化电池使用时间。

图 3.1: 移动电话待机电流消耗的 CCDF 轮廓图

测量CCDF轮廓图，对待机模式下智能手机的节电情况进行分析的实例。

为了延长电池在待机状态下的运行时间，智能手机通常采用不连续接收 (DRX) 模式。与使用连续接收相比，排除其它影响，节约的电量取决于在非活动期内，休眠电流可以达到的等级、最多可以减少的接收活动时间、以及智能手机的设计。

为了测量节能效果，我们使用N6781A SMU 电源模块和 14585A 软件，记录连续和不连续 RX 待机状态下，智能手机的长期电流消耗。如图 3.2 所示，我们使用 14585A 软件显示和比较两个电流消耗的 CCDF 轮廓图，以快速、轻松地判断和分析详细的节电信息。

通过量化两个轮廓图之间的垂直和水平偏移，我们发现:

– 128 mA 时, RX 活动 2.8% 的 (垂直)变化, 可节省 18% 的电量

– 11.9 mA 的待机电流 (水平) 变化, 可节省 55% 的电量

– 其它节省的 27% 电量来自减少的基带活动

– 总节电量是 85.5%

如图所示，要优化电池使用时间时，有效而快捷的方法是通过使用分布轮廓图，您可以快速查看、判断和量化设计改变对电路和相关活动的详细影响，而使用传统方法完成此任务是既耗时又费力。

图 3.2: 使用 CCDF 轮廓图分析移动电话待机省电详情

技巧 4: 电池仿真提供更真实的移动设备测试结果

在使用直流电源对移动设备供电时，关键是让电流消耗测试结果能够与使用电池供电 (电池实际工作时间得到优化) 时相媲美。

电池不是理想的能源。

电池特征与移动设备相互作用，会影响到电流消耗的测量结果。在优化移动设备的电池使用时间时，精确的电流消耗结果至关重要。如果使用直流电源给移动设备进行供电，您需要将电池的特征考虑在内，以确保您的电流消耗测量结果能够与使用电池时的情况相当。

当使用通用直流电源进行供电时，移动设备的电流消耗往往与使用实际电池时的特征有非常大的差异。

图 4.1 显示了移动电话使用电池时的脉冲电流消耗和电压响应。可以看出，电池具有明显的串联输出内阻，导致在移动设备的电流消耗上升时，其输出电压成正比地下降。许多移动无线设备可根据对电池特征的补偿进行自适应和调整。

电池响应特征

– 电池压降与电流成正比 – 电池内阻为 150 mΩ

图 4.1: 为 GSM移动电话供电的电池

通用直流电源通过使用反馈将其输出调整到固定电压设置，尽量成为零输入内阻的理想电压源。与电池不同，其电压不会随着负载电流成比例下降。另外，反馈调整具有有限的响应时间。这导致电流在加载和卸载过渡期间出现瞬态压降和过冲。如果瞬态压降足够大，甚至能够触发移动设备的低电池电压关机。因此，通用直流电源的特征与电池特性明显不相似。图 4.2 为使用通用直流电源代替电池进行图 1 中相同的测量。电池响应截然不同，结果的电流消耗测量结果最终比使用电池高 10%。

通用直流电源响应特征

• 电压响应与电池并不类似

• 结果电流比电池高 10%

图 4.2: 为移动电话供电的通用直流电源

当使用具有电池仿真功能的直流电源进行供电时，移动设备的电流消耗往往可以与使用实际电池时的特征相似。

为给移动设备供电而定制的直流电源具有多种电池仿真功能，包括:

• 除了电流输出之外，还有电流吸收能力，可仿真电池的充电电流能力

• 可编程串联输出内阻，可仿真电池的内阻

• 非常快速的负载瞬态响应，可最大限度减少压降和过冲，实际仿真电池的动态电压响应

图 4.3 显示了使用具有电池仿真能力的 Keysight N6781A SMU 代替电池进行图 4.1 中相同的测量。N6781A的串行输出内阻经过设置，匹配电池的 150 mΩ 电阻值。电压响应及电流消耗的结果最终都可以与使用电池时的情况相似。

当使用直流电源给移动设备供电时，在测试其电流消耗时不要忽略电池特征。如果您要有效优化设备的电池使用时间，电流消耗结果必须可以与使用电池时的情况相类似。通用直流电源的特征与电池不同，往往提供非常不同的电流消耗结果。使用具有电池仿真能力的直流电源，可帮助确保您实现更精确的结果，与使用电池时的情况类似。

电池仿真器的 SMU响应特征

• 电池仿真器 SMU设置为 150 mΩ

• 电压和电流与电池类似

图 4.3: 为移动电话供电的Keysight N6781A 电池仿真器 SMU

技巧 5: 简化电池容量和额定能量的验证流程

确定智能手机和移动设备电池允许时间的的一个关键步骤， 就说是验证电池的容量和额定能量。

如果您只根据制造商的技术资料确定手机的运行时间，而不具体验证电池的容量和额定能量，您的结果一定不精确。电池的标称容量通常以理想条件为基础，代表可从电池获得的最大电量。但事实是，在应用中进行验证时，实际容量最终都小于标称容量。

电池容量与电池额定能量的区别

电池容量是电池规定拥有的以安时 (Ah) 或毫安时 (mAh) 表示的电容量。这与电池的额定能量不同，额定能量的单位是瓦特小时 (Wh)。通过将电池容量 (Ah) 乘以标称的额定电压 (V)，您可以确定额定能量。对于移动设备的运行时间来说，电池的实际能量比电池的容量更重要，因此对这个两个值进行验证是非常重要的。

温度和电池寿命也会影响从电池获得电量，因此，要确定移动设备的运行时间，您还需要考虑这些因素。

验证电池的标称容量和额定能量需要在精密的控制条件下，精确地记录电压和电流。

对于充电电池来说，在充电和放电条件下，极小的差异都可导致电池电容和能量出现巨大差异。因此，精确地复制和控制所有条件以获得良好的测量结果非常重要。一个关键条件是放电速率，通常表述为一定 AH 额定容量比例 (简称为 C 率) 下的恒定电流放电。

例如，一个制造商可能会规定 0.3 的放电 C 率，因为高放电率可使电池提供的容量和能量降低。从理论上讲，0.3 的 C 率将使电池在 3.33 小时内完全放电。对于 2 Ah 电池，0.3 的 C 率将是 0.6 A 的恒定电流放电。还有一点值得注意的是，测得的额定能量可能因标称的额定电压的不同而不同，因为实际的电池放电电压特性可能使结果略有不同。确定电池的容量和额定能量时，精密地控制测试条件，同时精确地记录电池的电流和电压可确保精确、一致的结果。

验证电池容量和额定能量的实例 :

我们使用图 5.1 中描述的设置以固定的 C 率使手机的充电锂电池放电。Keysight N6781A SMU 电源模块提供完整的 2 象限功能，使其非常适合作为精密的高性能电子负载和直流源使用。使用 Keysight 14585A 软件快速设置和显示 0.3 A 的恒定电流放电和 3.0 V 的截止电压及长期数据记录，以验证电容和额定能量。

图 5.2 显示电池容量和额定能量的验证结果。将测量标尺置于数据记录的起始和截止电压点上，显示出电池提供 879 mAh 和 3.32 Wh。这两个值明显小于电池技术资料给出的 1 Ah 和 3.6 Wh 额定值。下一步是确定哪些因素导致了以上差异，然后评定是否可从电池中提取额外的容量。

如图所示，最好不要假设电池的额定容量和能量将是您所要获得的容量和能量，将其作为确定手机和移动设备运行时间的一部分进行验证十分重要。

图 5.1: 使用恒定电流负载以固定的 C 率使电池放电。

图 5.2: 使用 14585A软件测量电池的容量和能量

技巧 6: 简化实际使用负载工作条件下, 电池容量和能量的验证流程

确定智能手机和移动设备电池使用时间的一个关键部分，是在动态实际使用负载条件下，验证电池容量和能量。

在以技术资料的指标为基础，验证电池的标称容量和额定能量之后，您还需要在实际使用情况时，手机和移动设备工作在动态条件下，对电池的指标进行验证。较高的恒定电流放电率会导致电池的容量和能量降低，同样，与具有相同平均值的等效恒定电流放电相比，高峰值脉冲动态放电电流也会导致容量和能量降低。可容忍的峰值脉冲放电量主要取决于电池的设计。因此，作为优化智能手机和移动无线设备电池使用时间的一部分，您必须在反应实际用户使用情况的动态负载条件下，来对电池的指标进行充分的验证。

在用户实际使用负载条件下验证电池容量和能量，需要精确地记录电压和电流，同时可靠、准确地创建动态用户使用的实际负载条件。

与静态充电和放电相同，动态负载放电条件下的微小差异，也可导致从电池获得的容量和能量出现巨大差异。非线性时变电池特性将引起不同的容量和能量结果，使得动态负载出现差异。因此，您需要精确的动态负载放电波形图。使用实际的移动设备可以提供最真实的动态负载波形轮廓图，但也一些弊端。通常，很难可靠地创建所需工作条件，使移动设备能在其理想的条件下运行，而且重复操作时会出现极大的差异。重复执行以上操作的解决方案，是在适当的周期内捕获移动设备的动态电流消耗，然后通过支持此类工作特性的电子负载进行回放，以便仿真移动设备，吸收电池电流，给电池放电。

通过记录和回放实际使用条件，来验证电池容量和额定能量的实例。

我们使用图 6.1 描述的设置首先为智能手机供电并捕获其发射模式电流消耗波形图，然后在较长的时间段内作为动态电流负载回放捕获的波形轮廓图，给电池放电。我们使用 Keysight N6781A SMU 电源模块，因为它具有完整的 2 象限工作能力，使其能够作为高性能直流源和电子负载使用，从而完成该应用的以上操作步骤。

图 6.1: 记录和回放器件的电流消耗使电池放电。

然后，我们验证 1 Ah 和 3.6 Wh 额定的充电锂电池。您可以在图 6.2 中看到结果。通过回放 2 A 峰值电流，可得出 0.856 Ah 容量和 3.22 Wh 能量值，从手机捕获的 0.3 A 平均耗电波形略低于使用等效 0.3 A 恒定电流放电获得的 0.879 Ah 和 3.32 Wh 值。该电池良好的脉冲电流特性，非常适合预期的用户使用条件。使用较高峰值放电速率和其它许多高密度能量源，如不可再充电的电池时，该影响变得更为突出。如图所示，在实际使用负载条件下验证电池，是确定智能手机和移动设备运行时间的关键步骤。

图 6.2: 在实际使用脉冲负载条件下测量电池容量。

技巧 7: 智能手机和移动设备电池耗尽测试, 真实地评估电池性能

对移动设备和电池一起进行电池耗尽测试，可获得独特且有用的信息，以优化电池使用时间。

确定和优化电池使用时间，单独测试移动设备及其电池非常重要。然而，电池并非理想的电压源，其特性可能会与移动设备的主机功耗相互影响、相互作用。鉴于此相关性，只有将手机等移动设备与电池作为一个通信测试分析系统进行电池耗尽测试时，方可获得一系列独特且有用的信息。这些信息包括:

• 获得最真实的性能和运行时间, 并以此作为基准, 比较和关联通过其他方法获得的结果

• 评估在实际使用过程中获得的电池容量和能量, 与电池制造商的额定值相比较, 以确定出现差异的原因 (如果有的话)

• 验证移动设备的低电池电量停机和满电池电量充电结束时的阈值, 来确定是否已充分利用该电池, 并确保使用安全。

如图所示，对移动设备和电池进行耗尽测试是优化电池使用时间全套方法的关键和补充。

执行电池耗尽测试需要精确、高速地记录电压和电流数据，并将仪器对测量的影响降低最低。

图 7.1 描述执行电池耗尽测试的传统设置。电流的高速数字化尤为重要，因为它可提供许多详细的信息。记录无线设备的脉冲工作电流消耗信号时，50 KSa/s 采样率是必需的，这也是一些手机测试标准推荐的速率。

由于无线移动设备的脉冲电流特性，是典型的高峰值、低占空比和低平均值，在高动态范围内进行精确的测量也是获得有意结果的关键。根据被测件工作模式的不同，波峰因数可能会高达几百倍。如果测试过程中存在多个不同功率强度的工作模式，电流范围甚至会更大。高波峰因数的信号，对仪器的动态测量范围提出了更高的要求，否则将会限制可实现的精度和分辨率。为了避免电流测试中使用的分流器对结果造成不良影响，就必须要将分流器峰值压降控制在 50 mV 之内，但这将出现更多问题，例如小电流的信号可能完全被噪声所淹没。因此，仪器必需具有足够的增益、动态范围和精度，这对于良好的结果至关重要。传统仪器通常无法满足这些要求。

另外，还需要 2 个独立的测量通道，以同时记录电池电压和电流。这两者共同针对电池耗尽测试提供关键且必要的信息，以分析和优化移动设备电池的运行时间。

图 7.1: 传统的电池耗尽测试设置

电池损耗测试实例 :

如图 7.2 所示，我们使用 Keysight N6781A 2 象限 SMU 电源模块对 GPRS 智能手机进行电池损耗测试，以记录电池损耗电压和电流。

N6781A 具有许多独特的特性和优势，执行电池损耗测试时，可显著提高精度并进行深入分析:

– 提供独立的 DVM 输入, 以记录电池电压。

– 真正的“零压降”分流器, 消除了传统分流器的压降问题。 

– 无缝测量调节功能可以提供从纳安级到安培级的连续精确电流测量, 并连续记录测量结果, 消除了传统、固定量程仪器的动态范围和精度限制。 

– 高达 5 μs 的采样间隔, 和 20 μs 的数据记录时间间隔, 可确保出现的任何电流脉冲信号的精确测量。

图 7.2: 使用Keysight N6781A 源/测量单元的电池损耗测试设置

如图 7.3 所示，使用 Keysight 14585A 控制和分析软件捕获和显示电池损耗测试结果。

将电流测量标尺置于起始和截止点，得出:

– 分别为 0.233 A 平均电流和 1.29 A 的峰值电流 

– 电池提供的电容量和能量分别为843 mAh 和 3.19 Wh 

– 手机运行了 3 小时 38 分钟后, 电池电压降低到 3.44 V, 并关机。

根据这些结果，得出:

– 电池提供的电量比标称的电池容量低 16% 

– 电池放电最终电压高于标称值

通过该实例可以看出，执行电池损耗测试可以获得独特且有用的分析结果，以补充优化移动无线设备电池使用时间的其它测试方法。

图 7.3: 电池损耗测试结果

技巧 8: 验证手机充电管理功能, 以获得最佳的电池性能和可靠性

验证手机的电池充电管理功能，对于确保经共同优化的总体电池性能至关重要。

对于使用充电电池的手机和其它移动设备来说，充电管理功能会影响电池的短期和长期性能。验证电池的充电过程和完成状态，是确保几个共同优化的电池性能特性满足设计目标的关键任务，包括:

– 充电时间 

– 电池寿命和安全性 

– 对电池性能的担保声明 

– 运行时间 

– 管理故障条件

虽然所有这些因素都很重要，但根据特定的移动设备，每个因素的重要性常常有所不同。例如，对于电池内置于移动设备中并且很难替换的产品，如 iPad, MP3 播放器和蓝牙耳机，我们会将电池寿命置于第一考虑因素。

验证移动设备的电池充电管理功能，需要高精度、高速记录电压和电流数据，并将测量设备对被测件的影响降至最低。

图 8.1 描述以通用设备为基础，评估移动设备的电池充电特性。您需要两个通道同时测量。一个通道用于记录充电电流，另一个通道用于记录电池电压。两者共同提供验证充电特性和管理功能的关键信息。

由于其优异的尺寸、重量和能量密度，锂电池是绝大多数移动设备充电电池的最佳选择。充电电压电平或浮动电压控制必须极为精密 ; 与浮动电压相差仅 10 mV 或约 0.25%，就可导致充电量相差 10%。而 50 至 100 mV 的误差可引起过充等安全问题。因此，为了避免对充电性能造成影响，分流器的阻抗造成的压降必需非常小，而数据采集设备的电压测量精度必需非常高。此外，更复杂的充电管理技术不断得到应用，许多技术采用各种动态激励来确定充电时的电池特性。

您需要良好的动态测量性能和精确的直流测量结果。而这些要求，对数据采集设备性能提出了相当高的挑战。

图 8.1: 传统电池充电特性测量设置

电池充电特性测试实例 :

图 8.2: 使用 N6781A 源 / 测量单元的电池充电特性测试设置。

我们以 Keysight N6781A SMU 电源模块为基础，使用图 8.2 描述的设置测量 GPRS 智能手机的电池充电特性。 N6781A 具有测评电池供电产品的专用特性，并提供许多独特的优势:

• 电流测量的零压降特性, 可确保精确的同时, 不影响被测件。

• 内置辅助电压测量, 同时记录电池充电电压。

• 无缝量程调节功能, 在高动态范围内提供精确的测量结果。

• 高测量带宽和高速数字化功能可捕获动态活动的详情。

• 数据记录模式能够在较长的时段内连续进行高速数字化。

如图 8.3 所示，使用 Keysight 14585A 软件捕获和显示电池充电特性测量结果。

图 8.3: 电池充电特性测量结果。

观察结果包括:

• 在 7 小时内完成充电。

• 充电电流是高速脉冲而非直流信号, 与最小值和最大值包络迹线描述的一样 (可通过基本的快速测量数字化功能显示)。

并非使用锂电池传统上采用的恒流 (CC)/ 恒压 (CV) 充电特性，依次递减的电流可使电池在达到 4.199 V 的目标浮动电压时完成充电。

根据这些结果，我们可以得出:

• 快速充电并不是首要的。相反，慢速充电适用于在一个晚上对电池完全充电。

• 4.199 V 的最终充电浮动电压，被认为最适用于平衡长期循环寿命和电能存储量。

通过该实例可以看出，验证电池充电特性测试可以获得独特且有用的信息，以补充优化移动无线设备电池寿命的其它测试方法。

技巧 9: 优化移动设备的子电路和功能模块, 以延长电池使用时间

测量和分析子电路和功能模块的功耗，并对其进行控制，可获得详细的信息，以优化移动设备的电池使用时间。

测量和分析移动设备的总功耗来优化电池使用时间非常必要，同样，您还需要测量和分析它们的子电路或功能模块。通常，您将想要结合总功耗的测量一起来完成此任务，以便深入分析两者的关系。

测量和分析移动设备子电路的实例包括:

– 显示器照明功率与对比度和色彩的关系 

– 当采用压控震荡器时，基带微控制器电压和电流与其工作状态和时钟速率的关系 

– 当启用动态电压控制时，射频功率放大器电流和电压与射频发射功率的关系 

– 在适当的时间，开启独立的子电路或功能模块，以适用于特定的操作

各种子电路和模块几乎总是由电源管理单元 (PMU) 供电。PMU 为每个子电路和模块提供独立、可调的偏置电压，因此，它们可以单独开启或关闭，或者根据需要调节其功率，以进行电源管理。鉴于此设置，通常需要分别测量为子电路和模块供电的电压和电流，而不是在测试过程中通过外部直流源直接为其供电。

测量子电路功能模块功耗需要高性能、非侵入性的测量数据记录。

图 9.1: 传统电池输入和子电路功率测试设置

图 9.1 描述使用传统数据采集设备测量电池输入及子电路电压和电流的典型设置。

高速数字化电流非常重要，因为它可提供许多有关活动的详细信息。由于移动设备和王子电路典型的高动态工作范围和高峰值脉冲电流消耗，在高动态范围内进行精确的测量对于获取有意义的结果同样重要。单一的子电路通常具有远低于系统最小值的电流，因此，需要高于系统测试需求的动态测量范围。高动态范围的工作电流测量，需要更高动态测量范围的仪器，否则，将严重限制可实现的精度和分辨率。为了避免电流测试中使用的分流器对结果造成不良影响，就必须要将分流器峰值压降控制在 50 mV之内，但这将出现更多问题，例如小电流的信号可能完全被噪声所淹没。因此，仪器必需具有足够的增益、动态范围和精度，这对于良好的结果至关重要。传统仪器通常无法满足这些要求。

另外，需要仪器具备独立的电压和电流测量通道，来同时记录电池和子电路电压和电流。两者共同提供关键且必要的信息，以测量和分析移动设备的电池输入、子电路和 PMU 控制活动。

测量模块电池输入和射频放大器功率。

图 9.2: 使用Keysight N6781A SMU 电源模块的电池输入和子电路功率测试设置

如图 9.2 所示，我们使用两个Keysight N6781A 2 象限 SMU 电源模块，测量 GPS 模块的电池输入和射频放大器子电路电压和电流。N6781A 具有许多独特的特性和优势，可提供卓越的精度，并针对此测试进行更深入的分析:

– 电池仿真特征提供真实的输入电源特征和更精确的结果。 

– "零压降" 分流器工作模式消除了传统分流器的压降问题, 用于测量低偏置电压提供的子电路电流。 

– 提供独立的数字电压表 (DVM) 输入, 以记录子电路偏置电压。 

– 无缝量程调节功能可以提供从纳安至安培级的连续精确电流测量, 并记录测量结果, 消除了传统、固定量程仪器的动态范围和精度限制。 

– 高速、高分辨率波形捕获和数据记录功能, 可确保捕获所有出现的脉冲信号, 并获得精确的测量结果。

图 9.3: GPS 模块的电池输入和子电路功率测试结果

我们想要验证 GPS 器件的电池输入功率要求和射频放大器的启动时间。为了节约用电，PMU 只根据需要为子电路供电。

如图 9.3 所示，使用 Keysight 14585A 控制和分析软件捕获和显示测试结果。得出:

– 电池输入得出平均值和峰值电流分别为 0.290 A 和 0.822 A。 

– PMU 根据需要在理想的工作点为射频放大器供电。

如图所示，测量子电路和总功耗是获得关键信息的有用方法，以优化移动器件的电池使用时间。

技巧 10: 验证在实际条件下的电池使用时间

当您验证电池使用时间时，需要根据实际用户的使用特征，仿真用户使用移动设备的实际习惯和环境，进行精确的表征和测试。

简单的通话时间和待机时间，实际上已无法表征电池的使用时间。目前的智能移动设备提供了丰富多彩的创新数据应用程序。这些应用程序许多是同时运行的。但这一切可能会导致电池使用时间不断缩短。用户的实际使用特征、习惯和环境，反映了移动设备的实际使用情况，通过它可以更好地确定和验证电池的运行时间。移动通信运行商和工业标准一致性测试正在向此方向前进。采用实际的用户使用特征验证电池使用时间，将会确保您的设备按照预期进行工作。表 10.1 显示了某些实际用户使用特征的实例。

表 1. 实际的用户使用特征实例

注: 同时活动, 不是所有用户使用特征都具有相同的事件顺序

在实际条件下验证电池使用时间，需要对用户活动和网络条件进行实际仿真。

电池损耗不是各个活动所用电流的加权和。用户活动和网络条件有同时发生的，也有先后发生的。当您验证电池使用时间时，为了获得真实的结果，通信测试分析系统需要以可比较的方式仿真这些用户活动和网络条件。它需要记录这些活动和条件，以及在适当时间段内的电池电流消耗，用于解释统计上的波动。它需要实现足够的自动化测试环境，使测试尽量变得“完整”，以便随时随地按照例行程序快速执行，实现出色的可重复性。同时，它应具有高度的灵活性，使您可以轻松地对测试程序进行修改，适应新的设计方案的测试，以及升级后的测试要求。

创建这样的通信测试分析系统需要大量的设备、软件、开发工作和文档。通过结合使用 Keysight N5972A 交互式功能测试 (IFT) 软件和 8960 或 E6621A 无线通信测试分析系统，以及14585A 控制分析软件和 N6781A SMU 电源模块，或 14565B 器件表征软件和 66319D 直流电源，可以显著地简化这一任务。图 22 显示了一个典型装置。您可以使用 N5972A 软件轻松地进行设置，并同时和按顺序运行多个活动和条件，仿真实际的用户使用特征和环境。 N5792A 可对 14565B 或14585A 软件及各自的直流电源进行设置，以记录您的被测件电池损耗和活动以及网络条件。当使用 N5972A 的交互模式时，您可以自动生成程序代码， 并将其拖放到脚本编辑器中。代码随后可以进一步进行优化，帮助您快速开发自动测试。

图 10.1: 是德科技交互式功能测试 (IFT) 平台解决方案

典型的、以用户使用特征为基础进行的实际一致性测试的测试结果。

长期电池电流消耗测试是使用图 10.1 中的测试平台，针对表 10.1 中所列出的青少年、中年妇女、PC 数据用户使用手机的特征进行设置和执行的。电池电流消耗还可用于确定和比较通话时间和待机时间。不同用户使用特征的电池使用时间有着相当大的差异，而仅依靠通话和待机模式下电池电流消耗测试结果，要想准确计算电池使用时间是不可能的。

表 10.2: 电池电流消耗

您的智能电话设备除了通话和待机模式之外，还具有许多创新的应用功能。因此，电池使用时间不断变短。为了确保电池使用时间不会成为用户抱怨的重点，您应根据用户在实际条件下使用设备的特征进行测试。

Keysight 14585A 控制和分析软件采用类似于计算机的操控方法，能够对 N6705 直流电源分析仪和/或先进电源系统（APS）N7900 系列电源（四个电源可以任意组合）的高级功能进行控制操作，并且分析它们提供的数据。

电池寿命会影响基于物联网的基础设施的成本和可靠性，包括 5G、物联网互联工厂、物联网安全、智能农业和互联医疗系统等。 电池寿命也可能是消费电子物联网设备的一个关键购买因素。 由于这些因素，设计人员必须了解功耗模式以及设备是否满足电池寿命要求。