許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用都依靠小型非充電式電池供電，因此優(yōu)化電池續(xù)航時(shí)間非常重要。為了了解產(chǎn)品的電池功耗特征，制造商紛紛使用各種工具來執(zhí)行電池功耗分析。因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)演進(jìn)極為迅速，產(chǎn)品開發(fā)周期非常短。設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工程師必須快速了解其設(shè)備的功耗特征及其產(chǎn)生原因，因此需要將功耗與射頻及子電路事件關(guān)聯(lián)起來。許多工程師發(fā)現(xiàn)，基于事件的功耗分析可以快速揭示他們需要重點(diǎn)關(guān)注的事件，有針對(duì)性地改善設(shè)備的功耗特性。
物聯(lián)網(wǎng)（IoT）持續(xù)高速增長(zhǎng)，但在爭(zhēng)奪這一巨大商機(jī)的同時(shí)，許多公司卻沒有抓住關(guān)鍵的技術(shù)良機(jī)，未能擴(kuò)大市場(chǎng)份額并鎖定數(shù)量龐大且高度滿意的用戶群體。在未來幾年內(nèi)，智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)、智慧能源、智慧環(huán)境、智能家居、互聯(lián)汽車、智能建筑和無(wú)線醫(yī)療設(shè)備等應(yīng)用領(lǐng)域預(yù)計(jì)將會(huì)涌現(xiàn)成百上千億個(gè)設(shè)備。如果企業(yè)能夠做出正確決策，妥善處理設(shè)備在電池壽命終止時(shí)遇到的問題，那么他們不僅能讓客戶滿意，也能獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用都依靠小型非充電式電池供電，因此優(yōu)化電池續(xù)航時(shí)間非常重要。首先，客戶希望設(shè)備能長(zhǎng)期使用；如果設(shè)備廠商能夠證明他們?cè)谶@一領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，那么他們就會(huì)占據(jù)重要的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)市場(chǎng)份額增長(zhǎng)。在某些情況下，較長(zhǎng)的電池壽命是實(shí)現(xiàn)某項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)可行性的必要前提，如果傳感器和執(zhí)行器過早出現(xiàn)故障，則其更換成本可能極高，客戶對(duì)此根本無(wú)法接受。如果由保修來承擔(dān)這些成本，那么制造商可能面臨極高的財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。
除此之外，電池還涉及環(huán)境問題，妥善的處置廢舊電池需要大量時(shí)間和資金。此外，某些設(shè)備安裝在難以接近的位置，因此更換電池的人力成本相當(dāng)可觀。如果電池安裝在植入式醫(yī)療設(shè)備中，那么成本和風(fēng)險(xiǎn)更會(huì)急劇增長(zhǎng)，更不用說醫(yī)療設(shè)備發(fā)生故障所導(dǎo)致的相關(guān)法律問題和人力成本。
為了了解產(chǎn)品的電池功耗特征，制造商紛紛使用各種工具來執(zhí)行電池功耗分析（BDA）。如果設(shè)備很簡(jiǎn)單，功耗比較穩(wěn)定，那么一臺(tái)數(shù)字萬(wàn)用表（DMM）就夠用了。而對(duì)于手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等復(fù)雜設(shè)備而言，它們的電流波形變化多端，可能在幾十或幾百毫安的工作模式與幾微安或幾納安的休眠模式之間迅速切換。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，現(xiàn)代BDA儀器必須具有很好地測(cè)量帶寬以達(dá)到無(wú)縫量程，防止在切換量程時(shí)丟失數(shù)據(jù)。
為了進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)，工程師還必須知道是什么在耗電。這對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)人員來說尤為重要，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)演進(jìn)極為迅速，產(chǎn)品開發(fā)周期非常短。設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工程師必須快速了解其設(shè)備的功耗特征及其產(chǎn)生原因，因此需要將功耗與射頻及子電路事件關(guān)聯(lián)起來。許多工程師發(fā)現(xiàn)，基于事件的功耗分析可以快速揭示他們需要重點(diǎn)關(guān)注的事件，有針對(duì)性地改善設(shè)備的功耗特性。例如，基于事件的功耗分析軟件可以自動(dòng)分析波形，迅速得出分析結(jié)果并以圖形方式顯示出來，見下面圖 1。
圖 1：在IoT設(shè)備電池壽命優(yōu)化解決方案中，Keysight X8712A作出的基于事件的功耗分析
在此例中，用戶可以迅速看到MCU和DUT發(fā)射事件的功耗占設(shè)備功耗的80%以上（條形圖），并且大部分功耗發(fā)生在5到10 mA的速率之間（CCDF圖底部）。根據(jù)這一分析結(jié)果，設(shè)計(jì)工程師能夠搭建智能化設(shè)計(jì)的硬件配置，并靈活選擇固化軟件編程方式。工程師還可以快速對(duì)設(shè)備進(jìn)行重新測(cè)試，以查看設(shè)計(jì)變更后的效果。
當(dāng)然，設(shè)備的電池電量最終將會(huì)耗盡，比如電池輸出電壓最初穩(wěn)定在3.3 V，而后逐步降低到3.2 V、3.1 V直至最后完全失效，而且降低的方式往往出人意料。您不應(yīng)該坐等設(shè)備正常運(yùn)行直至電池失效，通過仔細(xì)回答以下問題，您可以為自己的產(chǎn)品贏得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)：
這對(duì)功耗有何影響？
關(guān)鍵點(diǎn)是什么？
客戶對(duì)您有何期望？
我們舉例來說明這個(gè)問題，比如對(duì)一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器執(zhí)行基于事件的功耗分析，它的工作電壓正常情況下為3.3 V。我們連續(xù)進(jìn)行測(cè)量，得到的結(jié)果依次為3.3 V、3.2 V、3.1 V直至1.8 V。為了讓數(shù)據(jù)有統(tǒng)一的基準(zhǔn)，我們將3.3 V時(shí)的功耗設(shè)定為100%，后續(xù)測(cè)量結(jié)果以100%的相對(duì)值表示。
圖2：不同電壓下單個(gè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器的相對(duì)功耗
在大約2.9 V以上時(shí)，功耗一直很平穩(wěn)，超過這個(gè)點(diǎn)后，功耗開始緩慢上升。在 2.3 V到2.2 V之間，功耗有比較大的增幅，而在1.9 V到1.8 V之間，功耗陡增了 10倍。我們忽略1.8 V時(shí)的功耗，只看3.3 V到1.9 V之間的功耗詳情。
通過電流曲線，可以明顯地看出從1.9 V到1.8 V功耗大幅上升的原因。在1.9 V 的電源電壓下，設(shè)備正常工作，但當(dāng)電壓為1.8 V時(shí)，它會(huì)陷入反復(fù)的故障和重試，以最快速度消耗電量，超出了電池的承受能力。這種情況好比是使用新電瓶的汽車只需很少的電量便能啟動(dòng)，而虧電的電瓶卻無(wú)法為啟動(dòng)器提供足夠電量，并且很快完全失效。
圖3：在Keysight X8712上顯示出IoT傳感器工作在1.9和1.8V電壓下，IoT設(shè)備的電池壽命優(yōu)化解決方案
當(dāng)然，這僅僅是一個(gè)例子。設(shè)備的特性受很多因素的影響，譬如電池技術(shù)、電源和板載轉(zhuǎn)換器、電源管理系統(tǒng)、工作的物理環(huán)境等等。在不同電壓下測(cè)量設(shè)備是了解設(shè)備功耗特征的重要途徑。
一旦您掌握了設(shè)備在低壓下的功耗特性，您就可以讓設(shè)備在電池壽命結(jié)束前保持正常工作，或是設(shè)計(jì)讓它平穩(wěn)地降級(jí)工作。讓設(shè)備在電池壽命結(jié)束前保持正常工作不需要額外的固化軟件或電壓測(cè)量電路。讓設(shè)備逐步降級(jí)工作需要在設(shè)計(jì)中添加適當(dāng)?shù)墓袒浖碗妷簻y(cè)量電路（可能已經(jīng)包含在設(shè)備的MCU或收發(fā)模塊中），但這樣做能延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命，從而提升客戶滿意度，并贏得市場(chǎng)份額。
您可以采用多種方式來逐步降低設(shè)備的性能，通過犧牲少許實(shí)用性來延長(zhǎng)電池的續(xù)航時(shí)間。以物聯(lián)網(wǎng)傳感器為例，也許這個(gè)設(shè)備只能測(cè)量較少的物理量；對(duì)于客戶來說，有些物理量比較重要，有些并不重要。也許這個(gè)設(shè)備報(bào)告數(shù)據(jù)的頻次低于以往，這也會(huì)提醒客戶電池續(xù)航時(shí)間即將終止。也許這個(gè)設(shè)備只會(huì)在較短的測(cè)量窗口時(shí)間內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，這樣做會(huì)犧牲一點(diǎn)準(zhǔn)確性，不過可以延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。在過程控制應(yīng)用中，對(duì)于已經(jīng)在限制范圍內(nèi)運(yùn)行了很長(zhǎng)時(shí)間的過程來說，其精度要求可能并不像最初那樣嚴(yán)格。
最重要的一點(diǎn)是，在這個(gè)問題上沒有統(tǒng)一的“正確”答案；想要正確處理電池壽命結(jié)束時(shí)的問題需要扎實(shí)的工程判斷力和創(chuàng)造力。通過進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y(cè)量并執(zhí)行基于事件的功耗分析，您將可以快速掌握電池功耗特征，從而迅速改進(jìn)設(shè)計(jì)和添加固化軟件，為客戶提供真正的價(jià)值，并讓自己的設(shè)備贏得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
今天的分享就到這里啦，EBYTE每一天都致力于更好的助力物聯(lián)化、智能化、自動(dòng)化的發(fā)展，提升資源利用率，更多產(chǎn)品及相關(guān)資料，感興趣的小伙伴可以登錄我們的億佰特官網(wǎng)進(jìn)行了解，也可以直接撥打400電話咨詢技術(shù)專員！
