一种实用的低功耗产品电池寿命评估方法分析_俞鹏先.pdf

6 电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月Electronics 电子学本文给出的方法与文献3的方法类似，但是对采样电阻进行了校准，并且借助现代示波器的数据导出功能，在电流曲线求积分时，时间刻度较细，同时消除了示波器的偏移误差和增益误差。1 测量方法 1.1 测量方案低功耗产品一般有一个共同特征：待机时，只有唤醒逻辑电路（有些包含RTC功能电路）依然在运行，产品的待机电流极低，通常只有几十A甚至更低，并且由于工作状态无变化，待机电流基本上保持不变；产品工作时，需要根据产品功能，在不同的时刻开启和关闭不同模块的电流，执行不同的运算任务，工作电流会剧烈变化，如果有语音、电机等功能模块时，电流波动可达数百mA以上。由于低功耗产品上述的特征，测量低功耗产品的任务可以分解为测量平稳的A级微弱电流和几0 引言随着低功耗SoC1技术的发展，电池供电的低功耗产品越来越常见。电池使用寿命是这类产品的重要参数，在产品设计初期必须进行初期评估，选定合适的电池方案，并在产品开发初期进行实际测量以评估电池使用寿命。为了评估电池寿命，需要测量产品的待机电流和工作电流，电流探头是一种常用的电流测量设备，但是基本上只能测量1mA以上的电流，是德科技推出了专门的器件电流波形分析仪2，该设备具有超大的电流动态范围，可以测量待机电流和工作电流，但是价格较贵。文献3中给出一种使用常见的示波器和万用表测量物联网节点功耗的方法，但是该文献中对电流曲线求积分时的时间刻度较粗，并且未考虑采样电阻的偏差以及示波器的偏移误差和增益误差，可能导致评估结果与实际相差较大。作者简介：俞鹏先，中国电子科技集团公司第五十八研究所，工程师，硕士；研究方向：电路与系统、图像处理、雷达信号处理。收稿日期：2023-03-01；修回日期：2023-06-12。摘要：阐述对于电池供电的低功耗产品，给出一种电池寿命评估方法。电池供电的低功耗产品的待机电流和工作电流一般相差较大，分别采用万用表和示波器测量产品的待机电流和工作电流，测量工作电流时借助示波器使用电阻取样法进行测量，获取产品工作时的动态电流，对电流曲线进行积分得到产品单次工作能耗，然后根据电池容量进行电池寿命评估。为了提高评估的准确性，对采样电阻的阻值进行校准，同时消除示波器的偏移误差和增益误差。关键词：电池寿命，电流测量，低功耗。中图分类号：TN06，TN86文章编号：1000-0755(2023)06-0006-03文献引用格式：俞鹏先.一种实用的低功耗产品电池寿命评估方法分析J.电子技术,2023,52(06):6-8.一种实用的低功耗产品电池寿命评估方法分析俞鹏先（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏 214026）Abstract This paper presents a battery life assessment method for battery powered low-power products.The standby current and working current of battery powered low-power products are generally quite different.The standby current and working current of the product are measured with a multimeter and an oscilloscope respectively.When measuring the working current,the resistance sampling method is used with an oscilloscope to obtain the dynamic current of the product when it is working.The single working energy consumption of the product is obtained by integrating the current curve,and then the battery life is evaluated according to the battery capacity.In order to improve the accuracy of the evaluation,the resistance of the sampling resistance is calibrated,and the offset error and gain error of the oscilloscope are eliminated.Index Terms battery life,current measurement,low power consumption.Analysis of a Practical Battery Life Assessment Method for Low-power ProductsYU Pengxian(The 58th Research Institute of CETC,Jiangsu 214026,China.)电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月 7Electronics 电子学十mA到几百mA的动态电流。普通的手持式万用表的数据刷新率较低，但是A档可以精确测量A级电流，测量精度可达0.1A甚至更低，非常适合测量待机电流。工作电流可采用经典的取样电阻法，在被测电流路径上串联一个小电阻，通过示波器探头测量取样电阻上的压降，根据欧姆定律计算出电阻上流过的电流，示波器的高带宽高采样率特性可满足捕获动态电流的需求。待机电流测量电路的连接示意图如图1所示，使万用表工作在A档，测量步骤如下：闭合开关S,使被测设备处于正常工作模式，等待设备进入待机模式时，断开开关S,此时万用表上的电流读取即为待机电流Istandby。工作电流测量电路的连接示意图如图2所示，使被测设备处于待机模式，然后触发设备进入正常工作模式，设置好示波器的触发条件，捕获采样电阻两端的电压变化曲线，通过配套的示波器上位机软件（例如普源精电的Ultrascope，泰克的TekScope软件）或者U盘接口导出原始数据，得到采样电阻两端电压数据U(t)，并可以根据电压曲线得到从待机状态切换到工作状态的时刻t1和工作状态切换到待机状态的时刻t2。根据欧姆定律可以得到被测设备的工作电流曲线Iwork(t)如式（1）。Iwork(t)=U(t)/R （1）对Iwork(t)在(t1,t2)上积分，得到单次工作能耗Esw如式（2）。（2）假设每个周期T内设备工作N次，则一个周期内设备的总能耗Est如式（3）。Est=NEsw+IstandbyT （3）假设设备电池容量为Etotal，则设备电池工作寿命Ttotal如式（4）。Ttotal=(Etotal/Est)T （4）1.2 误差校准一个典型的示波器结构图如图3所示，信号输入示波器内部，经衰减器、直流偏置和放大器组成的信号调节模块进行适当的调节后,进入核心的采样环节，而采样的核心是其中的ADC芯片。现代ADC芯片的INL和DNL参数一般都比较小，对本文测量结果的影响可以忽略，但是ADC的偏移误差Eo和增益误差EG普遍较大，特别是高速ADC。另外，由于电阻的阻值本身存在偏差，并且测量点与电阻之间的走线也存在电阻，因此测量环路上的实际电阻R与理论值R之间存在偏差。考虑到上述因素，对式（1）进行修正，得到经过修正后的工作电流Iwork(t)如式（5）。（5）其中，Re=(1+EG)R，相当于把示波器的增益误差合并到电阻中。根据式（5），我们需要得到偏移误差Eo和等效电阻Re。Eo比较容易得到，将示波器探头的正负端接在一起，测量此时探头的平均电压V11，即可认为是偏移误差Eo。等效电阻Re通过测试得到，测试电路的连接示意图如图4所示，在测量回路中串入一个万用表，使用可变电阻代替被测设备，将可变电阻设置为一个合理值，万用表设置为电流档，记录万用表上的电流读数I2和示波器上的平均电压V12。等效电阻Re可由式（6）计算得到。（6）将式（6）和V11(t)代入式（5），得到式（7）。（7）使用式（7）中的Iwork(t)替换式（1）即可准确评估电池寿命。2 实测数据分析本文以上述方法对采用5号干电池进行供电某智能锁进行功耗测量和分析。步骤如下。（1）第一步：通过将示波器正负端短接，测得V11。图1 待机电流测量电路连接示意图图2 工作电流测量电路连接示意图图3 示波器结构图图4 等效电阻Re测量电路连接示意图8 电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月Electronics 电子学（2）第二步：通过图4所示连接示意图和式（6）测量等效电阻Re。（3）第三步：通过图2所示连接示意图和式（7）测量工作电流。（4）第四步：通过图1所示连接示意图测量待机电流Istandby。（5）第五步：根据式（4）计算电池寿命。2.1 示波器偏移误差测量采用普源精电公司DS1102E示波器进行测量，将正负端短接测量V11，5次测量数据如表1所列。5次数据求平均得到V11=1.38mV。2.2 采样电阻测量采用理论值为0.5的电阻作为采样电阻，利用图4所示的示意图测量等效电阻，为了减小误差，多次测量取平均值作为等效电阻Re的值，5次测量数据如表2所列。根据式（6），5次测量数据计算得到的电阻值再取平均值，得到等效电阻Re=532m。2.3 工作电流测量根据图2所示连接示意图和式（7）测量工作电流，某次测得单次工作电流如图5所示。使用式（7）中的结果代入式（2），计算单次工作能耗，5次测量数据如表3所列。5次数据求平均得到单次工作能耗Esw=1 779.2mAs。2.4 待机电流测量根据图1所示连接示意图测量待机电流，5次测量值如表4所列。5次数据求平均得到待机Istandby=52.32A。2.5 电池寿命计算假设设备一天工作10次，根据式（3）计算一天的工作能耗Est22 312mAs。国标GB/T8897.2-20216规定，5号电池250mA（工作时平均电流约250mA）放电电流条件下，在贮存期末端，放电时间至少可达4h。按照这一条件计算，电池寿命约161天。3 结语本文针对电池供电的低功耗产品的待机电流和工作电流一般相差较大的特点，给出了一种电池寿命评估方法，分别采用万用表和示波器测量产品的待机电流和工作电流，测量工作电流时借助示波器使用电阻取样法进行测量，获取产品工作时的动态电流，对电流曲线进行积分得到产品单次工作能耗，然后根据电池容量进行电池寿命评估。为了提高评估的准确性，对采样电阻的阻值进行了校准，同时消除了示波器的偏移误差和增益误差，可为消费类电子产品提供电池寿命分析依据。参考文献1 史兴强,范学仕.一种SoC低功耗模式设计与实现J.电子与封装,2018,18(02):40-45.2 耿如才.精确测量低功耗蓝牙设备的电流曲线J.中国集成电路,2017,26(07):59-61+79.3 楼亮亮,金彦亮,周苗,鲍星合,赵康.物联网节点功耗测量及电池寿命分析J.自动化仪表,2015,36(12):52-55.4 中国市场监督管理总局，国家标准化管理委员会.GB/T 8897.2-2021，原电池第2部分：外形尺寸和电性能M.北京：中国质检出版社，2021.图5 单次工作电流曲线表1 示波器偏移误差测量表2 等效电阻测量数据表3 等效电阻测量数据表4 待机电流测量数据