标签: 耗电分析

在医疗设备行业中 ， 移动和无线医疗设备的应用、种类和数量正在突飞猛进的增长 1 ， 为电池供电医疗设备 （ Battery Powered Medical Devices ， BPMD ） 提供新的、更为精确的耗电量分析方法已经迫在眉睫。   传统方法和测试挑战 常见的 BPMD 耗电量分析方法要求设计工程师集成多个仪器和各种外部电路。通常使用示波器、数字万用表或数字化仪执行测量。这些测试设备通常是双通道，分别测量电压和电流，电流测量时也会借助分流器，同时使用电源或电池对被测医疗设备供电。在测量的时候，需要采取一定手段来控制医疗设备，使其处于不同的工作状态，并控制仪器对电流、电压、功率等数据进行测试、分析和校正。测试的过程可以是手动控制，但更多是将仪器连接到计算机，通过编写软件来控制测试，获得测试结果并进行分析。在被测件每个工作状态下，都会获得一组相关的电压参数和电流波形的文件。设计人员进一步对这些数据进行分析，以确定 BPMD 每个工作状态下的耗电量。 图 1 被测件在休眠状态下电流测量的传统设置   传统方法所获得的信息是非常有限的，而且测量的精度也可能是个大问题。以下列举了其中的几个重要的原因： 1．       示波器、数字化仪等设备测量动态电流，虽然有很高的采样率，但电流测量的精度非常有限，而且还需要借助电流探讨或电流传感器。BPMD在休眠状态的工作电流只有微安极甚至更低，而工作状态的电流可以达到百毫安甚至更高。对如此高的动态范围的工作电流进行表征，示波器或数字化仪加电流传感器的方案显然是无法胜任的。 2．          数字万用表虽然对静态的工作电流有非常高的测量精度，但由于速度很慢，无法快速测量动态的电流，例如BPMD 从休眠模 式下的低电流状态瞬间转换到工作模式下峰值电流工作状态时的信息。 3．          BPMD 耗电量是动态变化的，这使表征工作变得更加复杂。 总之，利用传统的手段只能进行简单的耗电量分析，它无法帮助您深入了解和分析 BPMD 设计，对此进行有效的改进，以便提高可靠性和优化电池使用寿命。   一体化的 解决方案 一体化的 解决方案不止是帮助您节省集成系统的时间和成本， 它更可以提高测量精度，并对测量数据进行全面而细致的分析，无需集成多台仪器和编程。您可以专注于分析更有价值的结果，充满信心地修改设计，以开发出更可靠、更节能的 BPMD 。 新的一台化测量方案采用了配置安捷伦N6781A SMU数字源表模块的安捷伦N6705B直流电源分析仪，在安捷伦14585A耗电量分析软件的辅助下，对 BPMD 耗电量进行精密 和分析。 这套配置是 标准仪器，以大量应用在手机、蓝牙及各种器件的精密耗电分析。它可以同时对被测件提供最高20W的供电，并精确测量电压和电流。这样就构成了供电、电压测量、静态和动态电流测量、功率测量的一体化解决方案，无需外部的设备或电流传感器。 结合测量功能与内置的数据记录仪功能 ， 可以捕获随时间变化的电压、电流和功率。这样不仅可以获得 BPMD 不同工作状态下的工作特性，还能精确计算 BPMD 的电池耗电量（ Ah ）。这种方案极大地简化了 BPMD 耗电量测量与分析。以下这个实例，就是对全球首个 Wi-Fi 血压监测系统（ blip ）进行表征的结果。   图 2 blip 无线血 压 周期 ： 1) 初始睡眠模式 ， 2) 按下测量血压 （ BP ） 按钮 ， 3) 向血压袖带充气 ， 4) 测量血压 ， 5) 将信息传递至 Wi-Fi 模块， 6) 通过 Wi-Fi 把血压测量信息发送至网络 ， 7) 显示血压测量结果 ， 8) 返回睡眠模式。设置游标，捕获完整测量周期内的信息。血压工作过程中值电流为 619mA 。整个周期消耗的电池容量是 2.37mAh 。   安捷伦N6781A SMU 模块 在电流测量时利用了无缝量程切换的专利技术，在以200Ksa/s 的速度采样时，提供高达28bit的有效分辨率。其超高的动态范围允许用户在测量高达 3A 的峰值电流时，同时测量几十微安的睡眠电流，分辨率高达几十纳安（ 图 3a ）。而我们常用的数字万用表中采用的自动量程功能，是根据量程的不同来切换不同的前端衰减，导致测量系统遇到 短时中断 。这样很明显会使 BPMD 的真实功耗失真。 无缝量程切换功能不会给测量带来这种中断干扰 。此外，大多数 自动量程 功能的速度远不足以检测到 短时电流脉冲 ，它可能出现过载或完全错失脉冲事件。假设仅使用一个量程（例如， blip 血压监测仪的 1V 量程、 1Ω 分流电阻）捕获峰值电流同时，还要测量 休眠 电流， 休眠 电流的测量值对于 A/D 本底噪声（ ~30µA ）而言是难以察觉的（ 图 3b ）。与传统方法不同的是，新方法能够精确地测量BPMU在打开执行器和射频传输中的动 态 瞬变 电流 ，从而更好地了解功率及对电池使用寿命的影响。   图 3a 使用无缝量程切换功能的电流测量结果 （ 平均值： 53.7µA ， 峰峰值 ： 5.5µA ） 图 3b 传统方法使用多台仪器加 Excel 的测量结果 （ 平均值：4 0.3µA ， 峰峰值： 87µA ）   图 3 休眠 模式电流测量 （未完待续）   下接： 便携医疗设备耗电分析（下）  

（接上篇） 如果希望从不同的视角更深入分析 BPMD 的功电量 ， 可使用互补累积分布函数 （ CCDF ） 。 CCDF 能够确定在所数据记录中，某部分的耗电量（ 图 4 ）。 X 轴是电流的对数标尺， y 轴是数据记录时间百分比的对数标尺。    假设接近 690mA 的 CCDF 线水平移动 ， 那么峰值电流值会发生变化。同样地，假设接近 30% 时间比的 CCDF 线垂直移动，这意味着 blip 显示其测量结果的时间百分比会发生变化。 CCDF 视图以全新的视角展示了设计中哪些功能的耗电量最大及其耗时，使您能够集中精力改善设计中消耗电量最高的部分。通过对比设计迭代的 CCDF 图形，可以快速验证改进后的效果。 CCDF 工具还可以比较不同的硬件和固化软件版本，您能够记录这些变化对 BPMD 耗电量产生的影响。 CCDF 提供非常有价值的分析和置信度，能够很好地优化您的 BPMD 耗电量。   图 4 互补累积分布函数 ： 1) 休眠模式电流 ， 2) 显示电流 3) 血压测量电流 ， 4) 袖带充气泵工作的峰值电流。 游标显示 7.7% 记录的电流消耗数据超过了 100mA 。    总结 移动和无线医疗设备的应用、种类、功能和数量正在发生翻天覆地的变化 ， 这要求设计人员更深入地了解 BPMD 的电池使用寿命 ， 完成可靠、节能的设计。传统的耗电量测量方法很难满足设计人员深层次地了解产品的耗电特性，无法精确获得动态功耗，也无法评估瞬态 功耗 对电池寿命的影响。而且，传统方法提供的测量结果，也很难为设计人员提供产品改进的线索和依据来优化 BPMD 的电池使用寿命。   借助安捷伦N6705B直流电源分析仪的一体化全新解决方案，设计人员不必再花费数周时间开发一个复杂的 BPMD 耗电量 测量系统。在新的方案中，借助电流的无缝量程切换技术、CCDF的设计分析方法等，是设计人员更轻松、更自信地优化 BPMD 产品，以延长 电池使用寿命。   安捷伦 电池耗电分析一体化解决方案 包 括了 N6705B 直流电源分析仪主机、具备无缝量程切换功能的 N6781A SMU 模块 、 14585A 控制和分析软件（ 图 5 ）。我们用它执行了图 2/3/ 4 中的测量。 图 5 安捷伦 电池耗电分析一体化解决方案 与全球首个 Wi-Fi 血压监测系统 blip   注 ： 1 据报道 ， 病患监护应用设备以 23% 的 复合年增长率 （ CAGR ） 增长 （ 2007-2011 年 ）， 预计仍将保持这一增长速率 ， 并在 2016 年达到 200 亿美元的市场规模 （ Kalorama Information ； 2012 年 7 月 ） 。与此同时，美国医疗器械促进协会（ AAMI ）认定电池管理和使用寿命将成为医院及生物医学部门面临的十大难题之一。为解决电池管理问题， FDA 与 2013 年 7 月召开 电池供电医疗设备（PBMD）研讨会：机遇与挑战 ，旨在提高公众对相关难题的认识，共同开发新的解决方案，以确保医疗设备的持续可靠性。研讨会的目标之一是“推动电池供电医疗设备的设计、制造、测试、系统集成、维护和标准化”。

     测量和分析子电路和功能模块的功耗，并对其进行控制 ， 可获得详细的信息 ， 以优化移动设备的电池运行时间。   测量和分析移动设备的总功耗来优化电池运行时间非常必要 ， 同样 ， 您还需要测量和分析它们的子电路或功能模块。通常，您将想要结合总功耗的测量一起来完成此任务，以便深入分析两者的关系。 测量和分析移动设备子电路的实例包括 ：   •        显示器照明功率与对比度和色彩的关系 •        当采用压控震荡器时，基带微控制器电压和电流与其工作状态和时钟速率的关系 •        当启用动态电压控制时 ， 射频功率放大器电流和电压与射频发射功率的关系 •        在适当的时间，开启独立的子电路或功能模块 ， 以适用于特定的操作        各种子电路和模块几乎总是由电源管理单元 （ PMU ） 供电。 PMU 为每个子电路和模块提供独立、可调的偏置电压，因此， 它们可以单独开启或关闭，或者根据需要调节其功率，以进行电源管理。鉴于此设置，通常需要分别测量为子电路和模块供电的电压和电流，而不是在测试过程中通过外部直流源直接为其供电   测量子电路功能模块功耗需要高性能、非侵入性的测量数据记录。   图 1 描述使用传统数据采集设备测量电池输入及子电路电压和电流的典型设置。高速数字化电流非常重要，因为它可提供许多有关活动的详细信息。由于移动设备和王子电路典型的高动态工作范围和高峰值脉冲电流消耗，在高动态范围内进行精确的测量对于获取有意义的结果同样重要。单一的子电路通常具有远低于系统最小值的电流，因此，需要高于系统测试需求的动态测量范围。   高动态范围的工作电流测量，需要更高动态测量范围的仪器 ，否则，将严重 限制可实现的精度和分辨率。为了避免电流测试中使用的分流器对结果造成不良影响，就必须要将分流器峰值压降控制在 50 mV 之内，但这将出现更多问题， 例如小电流的信号可能完全被噪声所淹没。因此，仪器必需具有足够的增益、动态范围和精度，这对于良好的结果至关重要。传统仪器通常无法满足这些要求。   另外 ， 需要仪器具备独立的电压和电流测量通道 ， 来同时记录电池和子电路电压和电流。 两者共同提供关键且必要的信息 ， 以测量和分析移动设备的电池输入、子电路和 PMU 控制活动。   测量 GPS 模块 的电池输入和射频放大器功率 如图 2 所示 ， 我们使用两个 Agilent N6781A 2 象限SMU电源模块，测量 GPS 模块 的电池输入和射频放大器子电路电压和电流。 N6781A 具有许多独特的特性和优势，可提供卓越的精度，并针对此测试进行更深入的分析： •        电池仿真特征提供真实的输入电源特征和更精确的结果。 •        “ 零压降 ” 分流器工作模式消除了传统分流器的压降问题 ， 用于测量低偏置电压提供的子电路电流。 •        提供独立的数字电压表（D VM ） 输入 ， 以记录子电路偏置电压。 •        无缝量程调节功能可以提供从 纳安 至安培级的连续精确电流测量，并记录测量结果 ， 消除了传统、固定量程仪器的动态范围和精度限制。 •        高速、高分辨率波形捕获和数据记录功能， 可确保捕获所有出现的脉冲信号，并获得精确的测量结果。 我们想要验证 GPS 器件的电池输入功率要求和射频放大器的启动时间。为了节约用电， PMU 只根据需要为子电路供电。如图 3 所示 ， 使用 Agilent 14585A 控制和分析软件捕获和显示测试结果。得出 ： •        电池输入得出平均值和峰值电流分别为 0.290 A 和 0.822 A 。 •        PMU 根据需要在理想的工作点为射频放大器供电。   如图 3 所示，测量子电路和总功耗是获得关键信息的有用方法，以优化移动器件的电池运行时间。     观看该应用提示的视频演示，请访问： http://v.youku.com/v_show/id_XNDY4NDQ5ODk2.html?f=17996506  

从手机、蓝牙耳机、平板电脑，到现在时兴的电子穿戴设备，都需要解决一个共性的问题：耗电！从根本上讲，这些设备及其子电路的活动都随时间而随机变化 ，而且 取决于用户使用行为、工作的网络环境和设备的复杂性。因此，与其活动相关的耗电相应地随时间而随机变化。如果在完成一项设计的改进后，希望验证它对优化电池运行时间的效果，往往需要在足够长的时间段内记录电流消耗，通过取平均值的方法，来对比设计改进前后平均电流的差异，以此判断此项变化的净影响。然而，优化电池运行时间时，您需要更详细的了解设计的改进带来的实质影响。您是否得到了期望的效果？您如何判断设备中的哪一个电路和活动受到了影响？您可以使用一种手动滚动数据记录的方法，来测评涉及各种电路和相关活动的脉冲电流强度和持续时间。但 这种方法虽然有用，但有一些弊端： •        非常耗时。 •        由于长期处于随机状态 ， 许多值是在最佳状况下估算出来的。 •        由于很难在长达几小时记录的数据中，检测和量化无数持续时间为几毫秒的活动。因此可以轻松得出不正确的结论。   虽然长期记录移动设备的电流消耗是必要的 ， 但很难靠直接目视检所记录数据的详情。您需要对各种方法进行分类，以便在优化电池运行时间时，快速、高效地分析长期耗电记录。   分析概率分布函数图 ， 能够快速、简明地查看和量化设计改进导致的长期耗电的细节差异。 您可以使用一种更有效的方法快速、简明地查看和量化设计改进对移动设备的影响 ， 该方法是分析长期电流消耗的概率分布函数 （ PDF ）的 轮廓图。 PDF 是随时间变化的电流消耗样本图，根据给定电流强度的相关频率而绘制，总添加高达 100% 。直方图是得到最广泛认可的 PDF 形式。但是，特定的互补累积分布函数（ CCDF ）适用于快速查看和分析长期电流消耗并量化设计改进的影响。 什么是 CCDF ？ •        累积分布函数 （ CDF ） = ∫PDF （ 曲线下方的区域 = 1 或 100% ） 。 •        互补累积分布函数（ CCDF ） = 1-CDF 。 CDF 轮廓为 0% 至 100% 的概率 ， 而 CCDF 轮廓是 100% 至 0% 的概率。注：图 1 中的 CCDF 轮廓图， 简要扼要地显示通过 Agilent N6781A SUM 模块以及配套的 14585A 控制和分析软件测量和显示智能手机电话在待机期间的长期电流消耗。 X 轴是电流消耗的幅度 ， Y 轴是其相对频率。轮廓图的水平偏移是幅度相关变化，而垂直偏移是时间相关变化。您可以使用这些偏移快速分析和量化设计变化导致的长期电流消耗的细节差异，以优化电池运行时间。 图 1 ：手机 待机电流消耗的 CCDF 轮廓图   测量 CCDF 轮廓图，对待机模式下智能手机的节电情况进行分析的实例。 为了延长电池在待机状态下的运行时间 ，智能手机 通常采用不连续接收 （ DRX ） 模式。与使用连续接收相比，排除其它影响，节约的电量取决于在非活动期内，休眠电流可以达到的等级、最多可以减少的接收活动时间、以及智能手机的设计。   为了测量节能效果 ， 我们使用 N6781A SMU 电源模块 和 14585A 软件，记录连续和不连续 RX 待机状态下，智能手机的长期电流消耗。如图 2 所示，我们使用 14585A 软件显示和比较两个电流消耗的 CCDF 轮廓图，以快速、轻松地判断和分析详细的节电信息。   通过量化两个轮廓图之间的垂直和水平偏移 ， 我们发现 ： •        128 mA 时 ， RX 活动 2.8% 的 （ 垂直 ） 变化 ， 可节省 18% 的电量 •        11.9 mA 的待机电流 （ 水平 ） 变化 ， 可节省 55% 的电量 •        其它 节省的 27% 电量来自减少的基带活动 •        总节电量是 85.5%   如图所示 ，要 优化电池运行时间时 ，有效而快捷的方法是 通过使用分布轮廓图 ， 您可以快速查看、判断和量化设计改变对电路和相关活动的详细影响 ， 而使用传统方法完成此任务是既耗时又费力。 图 2 ： 使用 CCDF 轮廓图分析手机待机省电详情 观看本应用提示的视频，请访问： http://v.youku.com/v_show/id_XMzU4ODk3MTQw.html?f=17996506