物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 繼續(xù)快速增長，但在急于抓住巨大商機的過程中，許多公司錯過了獲得市場份額并鎖定龐大且高度滿意的安裝基礎的關鍵技術機會。包括智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)、智慧能源、智慧環(huán)境、智能家居、聯(lián)網(wǎng)汽車、智能建筑和無線醫(yī)療設備在內的應用領域正在推動未來幾年將有數(shù)百或數(shù)千億臺設備的預測。在電池壽命結束時為設備操作做出正確決策的公司可以取悅客戶并獲得競爭優(yōu)勢。

電池壽命是關鍵

許多物聯(lián)網(wǎng)應用依賴于不可充電的小型電池，因此出于多種原因優(yōu)化電池壽命很重要。最明顯的原因是客戶更喜歡長使用壽命;在該領域表現(xiàn)出優(yōu)勢的設備供應商將擁有推動市場份額增長的關鍵競爭優(yōu)勢。在某些情況下，較長的電池壽命可能對項目的經(jīng)濟可行性至關重要，而傳感器和執(zhí)行器的早期故障可能會導致更換成本高得令人無法接受。如果這些費用在保修范圍內，制造商的財務風險可能會非常高。

還有與電池相關的環(huán)境問題，適當?shù)奶幚硇枰ㄙM時間和金錢。此外，一些設備安裝在難以接近的位置，因此更換電池的人工成本相當可觀。如果電池安裝在植入式醫(yī)療設備中，成本和風險將呈指數(shù)級上升，更不用說與故障醫(yī)療設備相關的法律和人力成本了。

為了了解產(chǎn)品如何消耗電池電量，制造商使用各種工具來執(zhí)行電池消耗分析 (BDA)。對于以穩(wěn)定速率消耗功率的簡單設備，數(shù)字萬用表 (DMM) 可能就足夠了。對于手機和物聯(lián)網(wǎng)設備等復雜設備，電流波形變化很大，可以在數(shù)十或數(shù)百毫安的操作模式和以微安或納安為單位測量的睡眠模式之間快速切換。為了應對這一挑戰(zhàn)，現(xiàn)代 BDA 儀器必須具有良好的測量帶寬和無縫測距，以避免在測量范圍變化期間丟失數(shù)據(jù)。

從電池消耗分析到基于事件的功耗分析

為了進行適當?shù)脑O計改進，設計工程師還必須知道是什么導致了電荷消耗。這對物聯(lián)網(wǎng)設備設計人員尤為重要，因為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，產(chǎn)品開發(fā)周期非常緊迫。設計和驗證工程師必須快速了解他們的設備消耗功率的方式和原因，因此將電荷消耗與 RF 和子電路事件相關聯(lián)是關鍵。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關注哪些事件以改善其設備的電荷消耗行為。例如，基于事件的功率分析軟件可以自動分析波形以生成快速、圖形化的見解，如下圖 1 所示。

圖 1：Keysight X8712A IoT 設備電池壽命優(yōu)化解決方案基于事件的功耗分析

在這種情況下，用戶可以快速看到標記為 MCU 和 DUT Tx 的事件消耗了設備功率的 80% 以上(條形圖)，并且大部分電荷以 5 到 10 mA 的速率消耗(CCDF 圖表) ， 底部)。此類洞察力使設計工程師能夠做出智能架構、硬件配置和固件編程選擇。工程師還可以快速重新測試設備以查看更改的效果。

當然，最終設備的電池將接近充電結束，而曾經(jīng)穩(wěn)定的 3.3V 電池(例如)將僅提供 3.2V，然后是 3.1V，依此類推，直到它完全失效，通常在一種令人驚訝的模式。與其簡單地讓設備正常運行直到電池出現(xiàn)故障，您還可以通過仔細回答以下問題來讓您的產(chǎn)品具有競爭優(yōu)勢：

設備在電壓下降時表現(xiàn)如何?

這如何影響電荷消耗?

臨界點在哪里?

客戶希望你怎么做?

例如，考慮對通常在 3.3 V 下運行的 IoT 傳感器設備執(zhí)行基于事件的功率分析。在 3.3 V、3.2 V、3.1 V 等電壓下進行連續(xù)測量，直到 1.8 V。為了標準化數(shù)據(jù)， 3.3V 電荷消耗設置為 100%，隨后的測量值顯示為相對于 100% 的值。

圖 2：單個物聯(lián)網(wǎng)傳感器在不同電壓水平下的相對電荷消耗

電荷消耗一直持平，直到大約 2.9 V，此時它開始緩慢攀升。在 2.3 和 2.2 V 之間有很大的增加，在 1.9 和 1.8 V 之間，電荷消耗增加了 10 倍。省略了 1.8 V 消耗的電荷，以顯示 3.3 和 1.9 V 之間的細節(jié)。

從電流曲線可以明顯看出電荷消耗從 1.9 V 增加到 1.8 V 的原因。該設備在 1.9 V 的電源電壓下正常運行，但它會在 1.8 V 的電壓下進入重復失敗和重試循環(huán)，具有諷刺意味的是，當電池負擔不起時，它會以最大的速率消耗電量。這類似于裝有新電池的汽車啟動時消耗的電量很少，但電量不足的電池難以為啟動器供電并很快完全失效。

圖 3：在 1.9 V 和 1.8 V 下運行的 IoT 傳感器，顯示在 Keysight X8712 IoT 設備電池壽命優(yōu)化解決方案上

當然，這只是一個例子。設備的行為取決于其電池技術、電源和板載轉換器、電源管理系統(tǒng)、運行的物理環(huán)境以及其他因素。在各種電壓水平下測量設備對于了解其行為方式至關重要。

一旦您知道設備在低電壓水平下的行為方式，您就可以讓設備以通常的方式運行，直到出現(xiàn)故障，或者將其設計為優(yōu)雅地降級。允許它以通常的方式運行直到出現(xiàn)故障不需要額外的固件或電壓測量電路。設計一個設備以優(yōu)雅地降級需要適當?shù)墓碳碗妷簻y量電路(可能已經(jīng)包含在設備的 MCU 或收發(fā)器模塊中)，但它提供了更長的產(chǎn)品使用壽命，這可能會取悅客戶并建立市場份額。

您有多種選項可以優(yōu)雅地降低設備的性能，這些選項可以延長其電池壽命，同時只會略微降低其實用性。例如，考慮一個物聯(lián)網(wǎng)傳感器。也許該設備可以測量更少的物理量;對客戶而言，它們可能并非都同等重要。也許設備報告數(shù)據(jù)的頻率比平時少，這也會告訴客戶電池壽命即將結束。也許該設備可以在更短的測量窗口內進行測量，這會犧牲一點精度換取更長的電池壽命。在過程控制應用中，長時間在限制范圍內運行的過程所需的精度可能不像最初那么重要。

底線是沒有“正確”的答案總是適用的;電池壽命的最終決定需要可靠的工程判斷和創(chuàng)造力。通過進行適當?shù)臏y量并執(zhí)行基于事件的功耗分析以獲得快速洞察，您可以快速迭代您的設計和固件，從而為您的客戶提供真正的價值并讓您的設備具有競爭優(yōu)勢。
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