解决物联网设备电池寿命结束时的关键问题

物联网 (IoT) 继续快速增长，但在急于抓住巨大商机的过程中，许多公司错过了获得市场份额并锁定庞大且高度满意的安装基础的关键技术机会。包括智慧城市、智慧农业、智慧能源、智慧环境、智能家居、联网汽车、智能建筑和无线医疗设备在内的应用领域正在推动未来几年将有数百或数千亿台设备的预测。在电池寿命结束时为设备操作做出正确决策的公司可以取悦客户并获得竞争优势。

电池寿命是关键

许多物联网应用依赖于不可充电的小型电池，因此出于多种原因优化电池寿命很重要。最明显的原因是客户更喜欢长使用寿命;在该领域表现出优势的设备供应商将拥有推动市场份额增长的关键竞争优势。在某些情况下，较长的电池寿命可能对项目的经济可行性至关重要，而传感器和执行器的早期故障可能会导致更换成本高得令人无法接受。如果这些费用在保修范围内，制造商的财务风险可能会非常高。

还有与电池相关的环境问题，适当的处理需要花费时间和金钱。此外，一些设备安装在难以接近的位置，因此更换电池的人工成本相当可观。如果电池安装在植入式医疗设备中，成本和风险将呈指数级上升，更不用说与故障医疗设备相关的法律和人力成本了。

为了了解产品如何消耗电池电量，制造商使用各种工具来执行电池消耗分析 (BDA)。对于以稳定速率消耗功率的简单设备，数字万用表 (DMM) 可能就足够了。对于手机和物联网设备等复杂设备，电流波形变化很大，可以在数十或数百毫安的操作模式和以微安或纳安为单位测量的睡眠模式之间快速切换。为了应对这一挑战，现代 BDA 仪器必须具有良好的测量带宽和无缝测距，以避免在测量范围变化期间丢失数据。

从电池消耗分析到基于事件的功耗分析

为了进行适当的设计改进，设计工程师还必须知道是什么导致了电荷消耗。这对物联网设备设计人员尤为重要，因为物联网发展迅速，产品开发周期非常紧迫。设计和验证工程师必须快速了解他们的设备消耗功率的方式和原因，因此将电荷消耗与 RF 和子电路事件相关联是关键。许多工程师发现基于事件的功耗分析可以快速揭示他们需要关注哪些事件以改善其设备的电荷消耗行为。例如，基于事件的功率分析软件可以自动分析波形以生成快速、图形化的见解，如下图 1 所示。

图 1：Keysight X8712A IoT 设备电池寿命优化解决方案基于事件的功耗分析

在这种情况下，用户可以快速看到标记为 MCU 和 DUT Tx 的事件消耗了设备功率的 80% 以上(条形图)，并且大部分电荷以 5 到 10 mA 的速率消耗(CCDF 图表) ， 底部)。此类洞察力使设计工程师能够做出智能架构、硬件配置和固件编程选择。工程师还可以快速重新测试设备以查看更改的效果。

当然，最终设备的电池将接近充电结束，而曾经稳定的 3.3V 电池(例如)将仅提供 3.2V，然后是 3.1V，依此类推，直到它完全失效，通常在一种令人惊讶的模式。与其简单地让设备正常运行直到电池出现故障，您还可以通过仔细回答以下问题来让您的产品具有竞争优势：

设备在电压下降时表现如何?

这如何影响电荷消耗?

临界点在哪里?

客户希望你怎么做?

例如，考虑对通常在 3.3 V 下运行的 IoT 传感器设备执行基于事件的功率分析。在 3.3 V、3.2 V、3.1 V 等电压下进行连续测量，直到 1.8 V。为了标准化数据， 3.3V 电荷消耗设置为 100%，随后的测量值显示为相对于 100% 的值。

图 2：单个物联网传感器在不同电压水平下的相对电荷消耗

电荷消耗一直持平，直到大约 2.9 V，此时它开始缓慢攀升。在 2.3 和 2.2 V 之间有很大的增加，在 1.9 和 1.8 V 之间，电荷消耗增加了 10 倍。省略了 1.8 V 消耗的电荷，以显示 3.3 和 1.9 V 之间的细节。

从电流曲线可以明显看出电荷消耗从 1.9 V 增加到 1.8 V 的原因。该设备在 1.9 V 的电源电压下正常运行，但它会在 1.8 V 的电压下进入重复失败和重试循环，具有讽刺意味的是，当电池负担不起时，它会以最大的速率消耗电量。这类似于装有新电池的汽车启动时消耗的电量很少，但电量不足的电池难以为启动器供电并很快完全失效。

图 3：在 1.9 V 和 1.8 V 下运行的 IoT 传感器，显示在 Keysight X8712 IoT 设备电池寿命优化解决方案上

当然，这只是一个例子。设备的行为取决于其电池技术、电源和板载转换器、电源管理系统、运行的物理环境以及其他因素。在各种电压水平下测量设备对于了解其行为方式至关重要。

一旦您知道设备在低电压水平下的行为方式，您就可以让设备以通常的方式运行，直到出现故障，或者将其设计为优雅地降级。允许它以通常的方式运行直到出现故障不需要额外的固件或电压测量电路。设计一个设备以优雅地降级需要适当的固件和电压测量电路(可能已经包含在设备的 MCU 或收发器模块中)，但它提供了更长的产品使用寿命，这可能会取悦客户并建立市场份额。

您有多种选项可以优雅地降低设备的性能，这些选项可以延长其电池寿命，同时只会略微降低其实用性。例如，考虑一个物联网传感器。也许该设备可以测量更少的物理量;对客户而言，它们可能并非都同等重要。也许设备报告数据的频率比平时少，这也会告诉客户电池寿命即将结束。也许该设备可以在更短的测量窗口内进行测量，这会牺牲一点精度换取更长的电池寿命。在过程控制应用中，长时间在限制范围内运行的过程所需的精度可能不像最初那么重要。

底线是没有“正确”的答案总是适用的;电池寿命的最终决定需要可靠的工程判断和创造力。通过进行适当的测量并执行基于事件的功耗分析以获得快速洞察，您可以快速迭代您的设计和固件，从而为您的客户提供真正的价值并让您的设备具有竞争优势。