当前的配置文件：对电池充电消耗的快速洞察

电池供电设备的强劲增长和不断缩减的产品开发计划要求工程师比以往更快地获得电池电量消耗洞察。有很多方法可以应对这一挑战；每个都有优点和局限性。本文介绍了设计和验证工程师快速获得视觉洞察并优化电池寿命的几种方法。

快速查看波形

第一步是获得电流波形随时间变化的高级概览。这将使您了解电流变化的速度以及准确测量所需的动态范围的大小。如果您的仪器测量范围的动态范围不够大，您可以切换到更高的测量范围或使用自动量程测量。较高的测量范围将容纳最大的电流值，但在范围的低端准确度较低，这是物联网设备大部分时间处于睡眠或休眠模式的地方。另一方面，量程之间的自动量程将导致测量毛刺，从而导致量程变化期间的测量不准确。

图 1：Keysight X8712A IoT 设备电池寿命优化解决方案上显示的电流波形。

放大以查看详细信息

一旦您对波形有了一个整体的了解，下一步就是放大电流波形并检查电流消耗的细微​​变化。波形可能会让人觉得设备只是在低功耗睡眠模式和全开操作之间切换，但放大后的波形揭示了一个更复杂的图片，提示了有关设备行为的有趣问题。例如，在图 2 中，是什么事件导致了这三个大尖峰？为什么它们看起来是均匀分布的，它们能持续多久，它们消耗了多少电量？

图 2：电流波形的放大视图。

对波形进行时间切片

为了帮助回答有关设备电荷消耗、设备设计和验证的问题，工程师使用一种称为基于事件的功率分析的技术来深入了解与各种电流水平相关的 RF 和子电路事件。工程师可以根据这些事件对电流波形进行时间切片，以快速了解在用户定义的操作期间各种事件如何与电荷消耗相关联。

图 3：具有同步射频功率（绿色）的时间切片电流波形（黄色）。

例如，在图 3 中，黄色轨迹显示随时间变化的电流，绿色轨迹显示同一时间尺度的 RF 功率。这些射频功率脉冲与电流波形中的最高脉冲明显同步。

从表中快速获取数字

视觉图像很有用，工程师也喜欢数字数据。查看与时间切片波形相关的统计数据的表格视图，可为工程师提供在各种条件下量化其设备性能所需的信息。

例如，图 4 中的表格清楚地表明，该设备超过四分之一的电荷消耗发生在射频功率相对较高的时期。在同一时期，器件有将近一半的时间处于待机（低电流）模式，但待机模式下发生的电流消耗不到 3%。该表还显示了在选定的时间范围内没有发生的事情。例如，我们可以得出结论，为标称 3.5V LED 供电的 LED 电源电压从未上升到 2 到 5 伏之间的值，因为消耗的时间和消耗的电荷都显示为零。

图 4：基于事件的功率分析表总结了时间切片电流波形。

一目了然获取相关消费数据

当然，有时条形图的视觉冲击是有帮助的。例如，图 5 中的图表提供了与图 4 表的 Charge Consumed 行中可用的数据相同的数据，但许多人喜欢能够一目了然地获得关键点。

图 5：基于事件的功耗分析显示了事件的电流消耗。

了解时间和电荷消耗与电流

条形图是一种清晰直观的数据查看方式，另一种称为互补累积分布函数 (CCDF) 的工具需要更多解释。但是，它还提供了其他图形图像中找不到的丰富数据。CCDF 有一条或多条线，这些线总是从 100% 开始，随着 X 轴上当前水平的增加，在垂直轴上变为 0%。例如，图 6 中的 CCDF 有一条蓝线表示电荷消耗，一条黄线表示如何花费时间。水平轴使用对数刻度来表示从 1 µA 到 1 A 的电流水平。

图 6：互补累积分布函数 (CCDF)。

在图 6 中，用户的鼠标指针悬停在 X 轴上大约 41 µA 处，蓝色和黄色工具提示显示 Y 值大约为 99% 和 60%。这意味着设备在 41 µA 以上的电流水平上花费了大约 60% 的时间，但在 41 µA 以上的电流水平上消耗了超过 99% 的电量。当然，也可以从相反的、朝左的方式读取图表：设备在低于 41 µA 的电流下花费大约 40% 的时间，但不到其充电的 1%。

CCDF 中的关键见解通常出现在垂直下降陡峭或平台较长的地方。例如，该器件大约 40% 的时间都在大约 40 µA 的电流下运行，但在 40 µA 和 1 mA 之间的时间相对较少。蓝色（电荷）线上的长平台表明该器件在低于 1 mA 的电流下消耗很少的电荷，而在非常接近 10 mA 的电流下消耗大量电荷。当然，有些 CCDF 软件允许您放大图表以获得更精确的信息。

CCDF 图表还允许设计工程师记录设备操作随时间的变化。例如，当设备使用不同版本的固件或不同的处理器运行时，比较 CCDF 图表可能很有用。

获取自动当前配置文件

也许生成电荷消耗统计数据的最简单和最强大的方法是使用自动电流分析仪，例如在设备电流波形分析仪上找到的那种。顾名思义，自动电流剖面仪使用垂直线将电流波形剖面分成不同的段。然后它生成与每个分段相关的统计数据，包括分段的开始时间和持续时间以及分段内的最小、最大和平均电流水平。它还积分以找到电流波形曲线下的面积，该面积代表消耗的电荷。段定义基于用户指定的参数，用户还可以移动、添加和删除段标记。

图 7：Keysight CX3300 设备电流波形分析仪上的自动电流分析仪。

结论 – 使用一系列可视化工具

对于电池供电设备的设计者或程序员来说，这是一个激动人心的时刻。挑战很大，工程师有各种各样的软件工具来应对这一挑战。通过在正确的时间使用正确的工具，工程师可以将具有出色电池寿命的产品快速推向市场。

审核编辑：刘清