物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 繼續(xù)快速增長(zhǎng)，但在急于抓住巨大商機(jī)的過(guò)程中，許多公司錯(cuò)過(guò)了獲得市場(chǎng)份額并鎖定龐大且高度滿(mǎn)意的安裝基礎(chǔ)的關(guān)鍵技術(shù)機(jī)會(huì)。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(chē)、智能建筑和無(wú)線(xiàn)醫(yī)療設(shè)備在內(nèi)的應(yīng)用領(lǐng)域正在推動(dòng)未來(lái)幾年將有數(shù)百或數(shù)千億臺(tái)設(shè)備的預(yù)測(cè)。在電池壽命結(jié)束時(shí)為設(shè)備操作做出正確決策的公司可以取悅客戶(hù)并獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

電池壽命是關(guān)鍵

許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用依賴(lài)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(hù)更喜歡長(zhǎng)使用壽命;在該領(lǐng)域表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)的設(shè)備供應(yīng)商將擁有推動(dòng)市場(chǎng)份額增長(zhǎng)的關(guān)鍵競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。在某些情況下，較長(zhǎng)的電池壽命可能對(duì)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)可行性至關(guān)重要，而傳感器和執(zhí)行器的早期故障可能會(huì)導(dǎo)致更換成本高得令人無(wú)法接受。如果這些費(fèi)用在保修范圍內(nèi)，制造商的財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)可能會(huì)非常高。

還有與電池相關(guān)的環(huán)境問(wèn)題，適當(dāng)?shù)奶幚硇枰ㄙM(fèi)時(shí)間和金錢(qián)。此外，一些設(shè)備安裝在難以接近的位置，因此更換電池的人工成本相當(dāng)可觀。如果電池安裝在植入式醫(yī)療設(shè)備中，成本和風(fēng)險(xiǎn)將呈指數(shù)級(jí)上升，更不用說(shuō)與故障醫(yī)療設(shè)備相關(guān)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(lái)執(zhí)行電池消耗分析 (BDA)。對(duì)于以穩(wěn)定速率消耗功率的簡(jiǎn)單設(shè)備，數(shù)字萬(wàn)用表 (DMM) 可能就足夠了。對(duì)于手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等復(fù)雜設(shè)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(cè)量的睡眠模式之間快速切換。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，現(xiàn)代 BDA 儀器必須具有良好的測(cè)量帶寬和無(wú)縫測(cè)距，以避免在測(cè)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(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)改進(jìn)，設(shè)計(jì)工程師還必須知道是什么導(dǎo)致了電荷消耗。這對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)人員尤為重要，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期非常緊迫。設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工程師必須快速了解他們的設(shè)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(guān)聯(lián)是關(guān)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(guān)注哪些事件以改善其設(shè)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(dòng)分析波形以生成快速、圖形化的見(jiàn)解，如下圖 1 所示。

圖 1：Keysight X8712A IoT 設(shè)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(hù)可以快速看到標(biāo)記為 MCU 和 DUT Tx 的事件消耗了設(shè)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(lèi)洞察力使設(shè)計(jì)工程師能夠做出智能架構(gòu)、硬件配置和固件編程選擇。工程師還可以快速重新測(cè)試設(shè)備以查看更改的效果。

當(dāng)然，最終設(shè)備的電池將接近充電結(jié)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(lèi)推，直到它完全失效，通常在一種令人驚訝的模式。與其簡(jiǎn)單地讓設(shè)備正常運(yùn)行直到電池出現(xiàn)故障，您還可以通過(guò)仔細(xì)回答以下問(wèn)題來(lái)讓您的產(chǎn)品具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)：

設(shè)備在電壓下降時(shí)表現(xiàn)如何?

這如何影響電荷消耗?

臨界點(diǎn)在哪里?

客戶(hù)希望你怎么做?

例如，考慮對(duì)通常在 3.3 V 下運(yùn)行的 IoT 傳感器設(shè)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(jìn)行連續(xù)測(cè)量，直到 1.8 V。為了標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)， 3.3V 電荷消耗設(shè)置為 100%，隨后的測(cè)量值顯示為相對(duì)于 100% 的值。

圖 2：?jiǎn)蝹€(gè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器在不同電壓水平下的相對(duì)電荷消耗

電荷消耗一直持平，直到大約 2.9 V，此時(shí)它開(kāi)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(xì)節(jié)。

從電流曲線(xiàn)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(shè)備在 1.9 V 的電源電壓下正常運(yùn)行，但它會(huì)在 1.8 V 的電壓下進(jìn)入重復(fù)失敗和重試循環(huán)，具有諷刺意味的是，當(dāng)電池負(fù)擔(dān)不起時(shí)，它會(huì)以最大的速率消耗電量。這類(lèi)似于裝有新電池的汽車(chē)啟動(dòng)時(shí)消耗的電量很少，但電量不足的電池難以為啟動(dòng)器供電并很快完全失效。

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

當(dāng)然，這只是一個(gè)例子。設(shè)備的行為取決于其電池技術(shù)、電源和板載轉(zhuǎn)換器、電源管理系統(tǒng)、運(yùn)行的物理環(huán)境以及其他因素。在各種電壓水平下測(cè)量設(shè)備對(duì)于了解其行為方式至關(guān)重要。

一旦您知道設(shè)備在低電壓水平下的行為方式，您就可以讓設(shè)備以通常的方式運(yùn)行，直到出現(xiàn)故障，或者將其設(shè)計(jì)為優(yōu)雅地降級(jí)。允許它以通常的方式運(yùn)行直到出現(xiàn)故障不需要額外的固件或電壓測(cè)量電路。設(shè)計(jì)一個(gè)設(shè)備以?xún)?yōu)雅地降級(jí)需要適當(dāng)?shù)墓碳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)器模塊中)，但它提供了更長(zhǎng)的產(chǎn)品使用壽命，這可能會(huì)取悅客戶(hù)并建立市場(chǎng)份額。

您有多種選項(xiàng)可以?xún)?yōu)雅地降低設(shè)備的性能，這些選項(xiàng)可以延長(zhǎng)其電池壽命，同時(shí)只會(huì)略微降低其實(shí)用性。例如，考慮一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器。也許該設(shè)備可以測(cè)量更少的物理量;對(duì)客戶(hù)而言，它們可能并非都同等重要。也許設(shè)備報(bào)告數(shù)據(jù)的頻率比平時(shí)少，這也會(huì)告訴客戶(hù)電池壽命即將結(jié)束。也許該設(shè)備可以在更短的測(cè)量窗口內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，這會(huì)犧牲一點(diǎn)精度換取更長(zhǎng)的電池壽命。在過(guò)程控制應(yīng)用中，長(zhǎng)時(shí)間在限制范圍內(nèi)運(yùn)行的過(guò)程所需的精度可能不像最初那么重要。

底線(xiàn)是沒(méi)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(guò)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y(cè)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(shè)計(jì)和固件，從而為您的客戶(hù)提供真正的價(jià)值并讓您的設(shè)備具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
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