为便携设备选择合适电池的方法 - 程控电源技术和应用（44）

发表于 2/26/2014 9:10:08 AM 阅读（1634）

为手机、无线穿戴设备、心脏起搏器、无线传感器等电池供电的设备选择合适的电池，是一项既重要但又极具挑战的工作。这不仅需要考虑产品期望的运行时间和对电源的需求，选择和评估市场上可能合适的电池，最重要的是要根据无线终端设备在可能的实际工作环境中，确定电池的运行状态，在一个模拟真实工作状态的环境中，对备选电池的性能开展精确的评估。

做为手机或iPad 的使用者，我们都会非常关注电池的续航时间。很多厂家也往往会在广告中炫耀有多长的待机时间等等。但就像中国的物价上涨指数一样，用户的使用感受往往离公布的数据相去甚远。事实上，电池的理化特性和不同的设计，造成了放电特性的差别。而且，无线通信终端特殊的耗电特性，特别是在工作过程中电流呈现出的不同占空比、大变化幅度的特性，要为它们寻找合适的电池，以确保设计要求的运行时间绝非是简单的课题。本文旨在关注这个过程，希望能为工程师提供有益的借鉴。

第一步：考虑终端设备期望的运行时间和对电源的需求。

一个最常用，但又不太靠谱的办法是把预计的平均电流乘以期望的运行小时数，以计算出需要的电池容量。之所以说这个办法不太靠谱，是因为在实际使用条件下，如工作温度、峰值电流、峰值电流占空比（峰值电流与静态电流之比）等，都会影响电池的总能量（即容量），并进而影响设备的运行时间。也就是说，用简单的动态电流的数学平均值电流代表大变化范围的动态电流，其结果是用恒定电流的电池容量，来替代电流大范围动态变化下的电池容量，这将会带来很大的误差和不确定度。根据电池的特性，电池在放电的同时，也在进行电荷恢复。低电流长时间的工作周期是最有利于电荷的恢复，而持续高电流、高占空比、大电流的脉冲放电，可能会打破这种平衡，从而降低了电池的容量。因此，同一个电池来说，动态电流的电池容量和恒定电流的电池容量两者并不相同。对于无线终端的设计者，就要充分考虑到其终端的耗电特性，应该是把短持续的高电流脉冲和低静态电流长时间周期更好地搭配

例如，如果您的设备需要180mA的平均电流，并且想要它运行10小时，您将需要一个1800mAh（毫安小时）的电池。但如果您的设备在10％的运行时间中要拖拽1.7A的峰值电流，而在其余90％的时间内只需要10mA的恒定电流，此时其数学平均值虽然仍为180mA，但此时1800mAh的电池有可能达不到10小时运行时间（取决于电池的化学过程和放电占空比时间）。

图1 常见的手机耗电电流波形

第二步：根据电池制造商给出的技术指标确定候选电池。这就是工程师或项目经理根据电池供应商提供的不同型号电池指标，确定几个候选方案。

第三步：根据技术指标评估电池性能。

由于电池制造商的质量控制过程所限，可能会发现同一批次内或不同批次间的电池性能并不完全一致。制造商可以不规定这种性能的差距，这就需要建立一套标准测试的测试过程来验证样本电池的技术指标。从而通过统计数据确定其性能变动量的范围。通常会根据所分析样本的最差容量选择电池。只要所采用的电池指标不会比这个最差的样本更糟糕，就基本能保障设备的更长运行时间。

除了跨批次测试外，您可能会希望能通过各种条件下，如不同的放电率、充电率和温度，来测试电池，建立电池如何响应不同条件的工作模型。

在市场上能找到实现全套电池标准测试的测试设备。厂家还为这套电池测试系统还提供全功能的软件，从而使工程师能建立起测量电池性能和容量的测试环境。表1列出了主要的电池测试指标。测试数据可以保存在数据库中，可根据生成的统计结果了解样本内和样本间的差异。通过这些测试，　就会完成制造商电池技术指标的全面验证。

表 1: 电池测试系统提供的典型电池测试项目一览表第四步：

了解和评估无线通信终端在实际使用过程中，电池的性能。

这是最重要的一步，也是最具有挑战的。这一步，能真正了解电池在实际使用环境中的性能，验证它是否能确保无线通信终端的时间运行时间达到设计要求。最大的挑战来自无线设备本身多样而复杂的各种使用情况。例如智能手机，实际使用情况将随用户而异，由此设备设计师要建立一个或多个相应的使用案例。每一案例将包括语音通话、短信、上网、视频通话、流媒体视频、玩游戏、听音乐、GPS等等。在每项任务上花费的时间量因使用案例而异，有些使用情况要求高电流，而另一些则要求不高。

测试电池在无线设备如何耗尽的测试称为电池电量测试。这也是最难实现的测试。为进行实际使用环境中的电池电量测试，有两种可选方案。

1. 第一方案是电池提供无线设备供电，同时检测实际工作环境中电池。在这项测试中，无线设备在要求的使用条件下工作，电池从充满电开始。在测试过程中，您连续测量和记录电池和无线设备间的电流及电池电压。有了这两个测量曲线，就可以看到在无线设备运行期间，从电池流出的真实动态电流，以及下降中的电池电压。从而对电池运行时间作出最切合实际的评估。在这个过程中，需要的设备包括手机综合测试仪，具高速、高分辨率、长期记录、零内阻的大动态电流测量仪表，如安捷伦N6705B直流源分析仪，配合N6781A SMU 电源和测量模块，还可能需要GPS信号源等。其优点是误差小。但测试成本比较高，在测试的过程中，必须使用手机、综测仪等设备持续不停地工作。

图2 使用综测仪及手机对电池进行测试框图

1. 第二个方法是利用一个灵活的高速、高性能电子负载模拟无线设备耗电特性。其具体做法如下：

第一步：将手机按照设定的使用案例循环工作一次或若干次，记录下手机的电流耗尽曲线。

第二步：将手机的电流耗尽曲线输入电子负载。电子负载就可以按照该曲线电池电流，模拟手机的真实工作状态

第三步：将被测电池接在电子负载上，使其循环工作，同时监测电池的电压和电流。

这种方法能容易地通过重新编程，模拟更多不同的使用案例，具有了最高的灵活性，而且成本也不高。虽然不能像第一种方法给出运行时间最真实的评估，但会非常接近。

总之，电池的选择包括寻找合适的电池，通过验证技术指标了解同一批次、不同批次，以及不同制造商的指标差异，最后在模拟的真实使用的环境中测量实际运行时间。测试过程中需要的测试设备，除了无线终测仪、射频信号源、LCR表以外，一个重要的设备就是安捷伦的N6705B直流源分析仪。N6705B同时具备了高性能电源和电子负载、高速和高分辨数字表示波器、长时间数据记录、大功率任意波形发生器等功能，配合相关的软件，成为电池动态性能评估和无线通信终端耗电特性测试的重要工具和手段。