圖 1：無(wú)線(xiàn)傳感器在三種主要狀態(tài)下的電流電平。 

 

工程師如何估計電池的供電時(shí)間呢？ 

 

作為一名設計工程師，您需要從全局考慮，找到電池體積與無(wú)線(xiàn)傳感器功能之間的平衡點(diǎn)，以便讓小電池既能發(fā)揮最佳性能，又能持續足夠長(cháng)的時(shí)間。優(yōu)化過(guò)程首先需要了解能量需求。收集有關(guān)能量使用的數據是表征器件性能的第一步。 

 

電池有一個(gè)預定義數量的能量(瓦時(shí)(Wh))和容量(安時(shí)(Ah))。如果您知道器件工作需要多大的功率，就能計算出電池的供電時(shí)間。 

 

電池供電時(shí)間(小時(shí)) = 電池容量(Wh) / 平均放電功率(W) 

 

電池的能量也是其額定電壓(V)與容量(Ah)的乘積。額定電壓是憑借經(jīng)驗確定的電池放電曲線(xiàn)的中點(diǎn)值，可以正確關(guān)聯(lián)電池的能量與容量?；谶@個(gè)定義，電池的供電時(shí)間也可以用這個(gè)公式來(lái)確定： 

 

電池供電時(shí)間(小時(shí)) = 電池容量(Ah) / 平均放電電流(A) 

 

圖 2：Keysight N6781A SMU 能夠跨動(dòng)態(tài)電流電平進(jìn)行精確測量。 

 

不過(guò)，當設備進(jìn)行實(shí)際工作時(shí)，電池供電時(shí)間通常短于您計算的結果。我們最常聽(tīng)到的意見(jiàn)是：“這電池的質(zhì)量太差了！”一些大電池品牌通常會(huì )提供詳細的技術(shù)指標，并解釋說(shuō)在同一類(lèi)型的電池之間，容量通常也會(huì )有 5% 到 10% 的差異。但是即使按照保守估計的電池容量，電池供電時(shí)間也往往達不到標準。器件工作的時(shí)間長(cháng)度比我們預計的短。為什么會(huì )這樣？我們估計的電量使用情況正確嗎？可能不正確。讓我們探索一下這個(gè)問(wèn)題。 

 

測量動(dòng)態(tài)電流消耗的復雜性 

 

在無(wú)線(xiàn)傳感器等電池供電器件中，為了省電，器件的子電路僅在需要時(shí)才激活。工程師將器件設計為大多數時(shí)間都處于消耗電量最小的睡眠模式。在睡眠模式下，只有實(shí)時(shí)時(shí)鐘運行。器件會(huì )定期喚醒以執行測量。然后將采集的數據發(fā)送至接收節點(diǎn)。 

 

不同的工作模式會(huì )導致電流消耗跨越從亞 uA 到 100mA 很寬的動(dòng)態(tài)范圍，其比值達到了 1:1,000,000。 

 

傳統的測量技術(shù)及其局限性 

 

要測量電流，眾所周知的方法便是使用萬(wàn)用表的安培計功能。使用現代的數字萬(wàn)用表好像可以獲得很好的電流測量精度，但其技術(shù)指標是根據固定范圍和相對靜態(tài)的信號電平來(lái)確定的，由于無(wú)線(xiàn)傳感器具有動(dòng)態(tài)的電流消耗，并不是非常適合使用萬(wàn)用表來(lái)測量。 

 

圖 3：數據記錄器：所有樣本均統一到連續的采樣周期中。無(wú)樣本丟失。對于每個(gè)采樣周期，還可提供最小值和最大值。 

 

數字萬(wàn)用表串聯(lián)在電池與器件之間來(lái)測量電流。由于傳感器的激活周期或發(fā)送模式的影響，我們會(huì )不時(shí)看到不穩定的讀數。我們知道數字萬(wàn)用表?yè)碛卸鄠€(gè)量程，采用自動(dòng)量程能夠選擇最恰當的量程，并能提供最佳精度。不過(guò)，數字萬(wàn)用表也不是全是優(yōu)點(diǎn)。自動(dòng)量程需要時(shí)間來(lái)改變量程和穩定測量結果。自動(dòng)量程時(shí)間通常為 10ms 至 100ms，長(cháng)于傳輸或激活模式的時(shí)間。因此，用戶(hù)需要禁用自動(dòng)量程功能，手動(dòng)選擇最恰當的量程。 

 

數字萬(wàn)用表的測量原理是通過(guò)在電路中插入一個(gè)分路器，然后測量這個(gè)分路器上的壓降。通常，要測量小電流，您可使用高電阻分路器并選擇低量程；要測量大電流，則使用低電阻分路器并選擇高量程。這個(gè)壓降也稱(chēng)為負載電壓。由于這個(gè)壓降，并非所有電池電壓均能到達無(wú)線(xiàn)傳感器。低量程最精確，可以測量睡眠電流，但在電流峰值期間會(huì )承受一定的電壓，而這甚至可能造成器件重置。實(shí)際上，我們最終做出了妥協(xié)，使用大電流量程以確保器件在電流峰值時(shí)可以正常工作。這一妥協(xié)使我們可以處理峰值電流，也能測量睡眠電流，但代價(jià)也很大。由于偏置誤差是基于量程的滿(mǎn)標度來(lái)規定的，它會(huì )嚴重影響低電流電平的測量結果。這個(gè)誤差可能是 100mA 量程的 0.005%，也就是 5μA，但對于 10μA 來(lái)說(shuō)就是 50%，對于 1μA 電流就是 500%。器件在大多數時(shí)間都處于這個(gè)電流電平，因此這個(gè)誤差對于電池供電時(shí)間的估計有著(zhù)巨大影響。 

 

在測量完傳感器在睡眠模式下的低電流電平后，我們還必須測量激活脈沖和傳輸脈沖，包括電流電平，以及傳感器處于該電平上的時(shí)間。示波器是測量信號隨時(shí)間變化的卓越工具。不過(guò)，我們需要測量幾十 mA 級的電平電流，電流探頭由于靈敏度有限和漂移問(wèn)題，無(wú)法勝任這一任務(wù)。良好的鉗形探頭擁有 2.5mArms 的噪聲，常常需要重復執行零位補償程序。電流探頭測量線(xiàn)路的電場(chǎng)，因此提高靈敏度的秘訣就是多次通過(guò)同一線(xiàn)路，從而將磁場(chǎng)增加好幾倍——進(jìn)而電流讀數也增加好幾倍，使我們可以更好一點(diǎn)測量電流。采用這種方法，我們可以捕獲激活時(shí)間和傳輸時(shí)間的電流脈沖。即使在激活和傳輸時(shí)間內，電流也會(huì )改變電平：它就像一列由高低電平組成的脈沖串。為了正確計算平均電流，這個(gè)波形需要導出，所有測量點(diǎn)需要整合以獲得平均值。 

 

圖 4：200 多秒運行時(shí)間的電流消耗記錄為觀(guān)察器件的動(dòng)態(tài)電流消耗提供了新視野。 

 

示波器能夠很好地捕獲單個(gè)猝發(fā)。不過(guò)，如果想要驗證傳感器在一段時(shí)間內激活了多少次，多長(cháng)時(shí)間發(fā)射一次 TX 猝發(fā)，測量將會(huì )更加復雜。示波器可在短時(shí)間內輕松和出色地完成測量，但是傳感器擁有數分鐘或數小時(shí)的運行周期，捕獲和測量起來(lái)更加復雜。 

 

測量創(chuàng )新 

 

用于電池耗電分析的 Keysight N6781A 電源 / 測量單元(SMU)通過(guò)兩大創(chuàng )新，克服了傳統測量方法的局限性：無(wú)縫電流量程和長(cháng)期無(wú)間隔數據記錄。這個(gè) SMU 模塊可與 Keysight N6700 小型模塊化電源系統或 N6705 直流電源分析儀結合使用。 

 

無(wú)縫電流量程是一項專(zhuān)利技術(shù)，它可使 SMU 改變測量量程，同時(shí)輸出電壓保持穩定，不會(huì )因為量程改變造成壓降。該特性使您能夠使用高電流量程來(lái)測量峰值，使用 1mA FS 量程(具有 100nA 偏置誤差)測量睡眠電流。這個(gè)低偏置誤差(100nA 偏置誤差對于 1μA 為 10%，對于 10μA 為 1%)，數量級優(yōu)于傳統的數字萬(wàn)用表。 

 

無(wú)縫電流量程與兩個(gè)數字化儀相結合，能夠以 200kSa/s(5us 時(shí)間分辨率)同步采樣率測量電壓和電流。采用全時(shí)分辨率，可以捕獲和顯示 2 秒鐘以上的數字化測量結果，分辨率越低，時(shí)間成比例增加。不過(guò)，在進(jìn)行長(cháng)期測量時(shí)，Keysight N6705B 模塊化直流電源分析儀的內置數據記錄器會(huì )在用戶(hù)規定的積分周期(20us 至 60 秒)內積分 200kSa/s 測量結果，而且不會(huì )丟失積分周期之間的任何樣本。 

 

由于數據記錄器是無(wú)間隔的，所有樣本都會(huì )歸入某個(gè)積分周期或下一個(gè)積分周期 ------ 不會(huì )丟失任何樣本。通過(guò)數據記錄器，工程師們現在可以測量無(wú)線(xiàn)傳感器在長(cháng)達 1000 小時(shí)運行時(shí)間內的電流和能量消耗性能。 

 

測量睡眠電流，只需要放置游標，即可直接讀出測量讀數。圖 4 是單次采集一個(gè)長(cháng)周期得到的測量結果；我們可以獲得完整的電流消耗圖，并精確測量出睡眠電流為 599nA。 

 

通過(guò)平移和縮放功能，我們能夠看到電流電平和每個(gè)功率電平的保持時(shí)間。使用傳統測量工具無(wú)法看到的細節現在能夠一覽無(wú)遺并進(jìn)行測量。圖 4 中使用“？？？”確定的后沿脈沖便是一個(gè)明顯示例。軟件揭開(kāi)了這個(gè)令人意外的秘密：對于 3.3μA 的平均電流，器件在大約 90μA 峰值處消耗脈沖能量，持續時(shí)間為 500ms。將這個(gè)電流消耗與 599nA 睡眠電流相加，結果達到了 730nA，這比我們預期的電流高 22%。這種意外可能是造成我們低估能量要求，使電池供電時(shí)間短于預期的原因之一。 

 

在優(yōu)化無(wú)線(xiàn)傳感器功耗時(shí)，了解這些詳細信息對于工程師非常有幫助。當追求用戶(hù)體驗與電池消耗之間的平衡，以及回答諸如“我應該每秒、每 5 秒還是每 10 秒發(fā)送一次信息？”等問(wèn)題時(shí)，了解發(fā)送一個(gè)信息包需要消耗多少能量非常重要。工程師們可以精確估計電池消耗對任何固化軟件變化的影響，并在合理時(shí)間內通過(guò)實(shí)際測量進(jìn)行驗證。 

 

輕松進(jìn)行焦耳測量 

 

焦耳在估計電池供電時(shí)間時(shí)非常有用，因為每個(gè)活動(dòng)都會(huì )消耗一定量的能量。我們也可以使用焦耳 / 發(fā)送比特來(lái)比較器件的性能。但是工程師們很少使用焦耳，因為需要使用電壓、電流和時(shí)間來(lái)計算它們。 

 

利用 Keysight 14585A 控制和分析軟件，可以直接測量焦耳單位的能量。例如，您可以測量發(fā)射一個(gè)在觸發(fā)測量中捕獲的數據包需要消耗多少能量。這個(gè)優(yōu)勢來(lái)自于利用兩個(gè)數字化儀同時(shí)采樣電壓和電流，實(shí)現逐點(diǎn)功率測量。焦耳可以作為游標之間的一個(gè)值輕松讀出，設計師甚至可以進(jìn)一步定義焦耳 / 發(fā)射比特。