在制造中优化蓝牙设备的电池耗电量测量

                                                                     在制造中优化蓝牙设备的电池耗电量测量
电池工作时间是便携式设备的关键参数。它是一个关键因素,在采购决策中处于非常重的地位。降低电池耗电量,改善工作时间,是蓝牙电路设计早期的头等大事。为保证满足规定的工作时间,制造测试工程师必须选择适当的蓝牙工作状态,测量电池耗电量,同时满足严格的成本和吞吐量目标。此外,蓝牙设备的电池耗电量具有功率范围广及脉冲式特点,要求使用专用测试设备,以在制造中实现最佳的测试精度、吞吐量及最低成本。

制造测试具有代表性的主要工作状态
蓝牙设备有许多工作状态,每种工作状态都以相应的耗电量提供了某种功能。这增强了联网设备的性能,同时仍能优化电池工作时间。在测量电池耗电量时,必须识别具有代表性的主要工作状态,以保证规定的工作时间,同时使测试量减到最小。由于蓝牙潜在应用的多样性,主要工作状态在很大程度上取决于特定设备的预计应用及工作的动态范围,因此识别起来极具挑战性。大多数主要工作状态分成四大类,包括充电设备的电池充电。

这四大类分别是:
1. 活动呼叫状态工作
2. 待机/ 扫描状态工作
3. 低功率工作模式
4. 电池充电(如有)

活动呼叫状态工作
耗电量最高的工作状态是蓝牙设备连接主网络,与主网络积极通信。大部分电量由各自的蓝牙RF和基带电路消耗。其功耗取决于发送功率和速率。例如,一级功率设备输出功率最高为100mW (20 dBm),最远支持100米的距离。在低端,三级功率设备输出的RF功率最高仅为1mW (0dBm),支持近距离接近式工作。在速率方面,耳机以相应的连续高耗电量、以连续速率传送信号。相比之下,室温调节装置的传输时间可能只有几毫秒,每分钟传输一次,其耗电量非常低。

可能耗用很大一部分功率的第二种情况为某种设备功能所独有,其超出了蓝牙RF和基带电路。如带灯的彩屏需要更高的功率,其会消耗最多几瓦的功率。

蓝牙是一种数字时间复用传输格式。结果,以活动呼叫状态工作的大多数电池供电的蓝牙设备一般会吸收脉冲式电流,其特点如下:
平均电流和高功率电流范围为几十毫安到几安培
低功率电流范围为几毫安到几百毫安
波峰因数约为10X
波形周期是1.25 毫秒帧速率的倍数

在制造测试中,活动呼叫状态耗电量的主要测量项目包括:
直流电流,这是检验电池工作时间的最基本测量指标。
峰值电流和高功率电流,因为它们会导致电流电压跌落过高,引起设备发生故障。

为进行这些测量,测量系统需要:
能够处理高波峰因数信号。
对感兴趣的DC 电平,精度在0.5% 以上。
可以调节积分时间,在波形周期中快速精确地求平均值。
能够跟踪和捕获最大的波形值和高功率波形值。

这些特点及其测量需求给大多数测试设备提出了挑战。大多数系统直流电源具有非常基本的测量功能,对脉冲式负载电流通常是不够的。大多数DMM没有必要的积分时间控制功能,而这是以优秀的吞吐量进行精确测量的关键。同样,大多数通用设备不能捕获活动呼叫状态电流的峰值和最大值。


图1 是以活动呼叫状态工作的蓝牙耳机设备上获得的实际耗电量波形测量结果。

待机/ 扫描状态工作
作为辅助设备工作
在没有联网时,作为辅助设备工作的蓝牙设备将以中低功率以待机方式工作。在每次扫描期间,设备会唤醒,接收和检查寻呼和/或查询。这会产生脉冲式耗电,其典型特点如下:
在1.28 秒扫描周期内有一个或两个11.25 ms 脉冲
高功率电流范围为几十毫安到几百毫安。
直流电平范围从一毫安到几十毫安。
低功率电流范围从几十微安到几十毫安。
波峰因数从10X 到1000X。

在活动呼叫之后,在制造中进行的第二大常用测量是待机/扫描状态DC耗电量,以保证满足设备规定的电池工作时间。待机时间长是最终用户的一个关键要求。

待机/ 扫描状态对测量系统的需求包括:
能够处理非常高的波峰因数。
对一毫安到几十毫安的平均功率电流,精度在0.5% 以上。
可以设置积分时间,在长波形周期(>1 秒)中精确地进行平均。


图2是蓝牙设备在待机/扫描状态下的耗电量实例。

由于电流电平较低及信号周期长,待机/扫描状态测量比活动呼叫状态要更具挑战性。结果,大多数通用测试设备和系统的直流电流没有充分满足这些测量需求,而不能实现最优的测试吞吐量和精度。

作为主设备工作
相反,在待机/扫描期间作为主设备工作的蓝牙设备发送一系列寻呼或查询,以与辅助设备取得联系。在这种情况下,设备的耗电量特点和测量需求与活动呼叫状态工作基本相同。

低功率工作模式
在不活动期间,蓝牙设备可以置于低功率工作模式,如PARK、
HOLD和SNIFF,延长工作时间,节约电量。在此期间,设备进入睡眠模式,只耗用几十到几百微安的电流。

为进一步节约电量,许多蓝牙设备可以置于关机模式下,同样只耗用几十到几百微安的电流。我们在使用的蓝牙耳机设备实例中发现,其在关机模式下只耗用121微安的电流。

测试耗电量对保证防止在低功率模式下电池耗电量意外提高及识别设备中的现有瑕疵和潜在制造瑕疵具有重要意义。

主要测量系统需求包括:
约10 mA的低功率电流测量范围。
10 微安或更好的测量精度。
适当的测量延迟和积分时间,获得稳定读数。

大多数系统直流电源没有充分满足对低功率工作模式的需求,也没有足够的精度,进行微安级测量。

对采用可充电电池、功率更高的蓝牙设备,一般会内置充电功能。对正确的充电功能,必需作为制造测试过程的一部分,测量和校准电池充电电流和电压。

主要测量系统需求包括:
能够以0.5% 以上的精度测量充电电流(一般最高为1 安培)。
能够以0.2% 以上的精度测量充电电压(一般最高为9 伏)。

其它系统需求包括:
直流电源应同时作为恒压负荷及接收充电电流,仿真充电电池。
需要第二个直流电源,提供充电电流。

大多数通用直流电源没有必要的功能,支持电池充电工作模式,以在制造测试期间进行测试和校准,所以其不能作为恒压负荷工作及接收全部充电电流。

以最小测量积分时间优化吞吐量和精度
为测量蓝牙活动呼叫状态和待机/ 扫描状态的脉冲式耗电量DC
值,必需控制测量积分时间。能够精确地设置积分时间,可以优化测试吞吐量和精度。


图3是脉冲式耗电量实例。在测量积分时间精确地设为脉冲周期的整数倍时,测量精度主要是测试设备规定的DC精度。但是,在脉冲周期和积分之间有小的不匹配时,将会出现明显误差。这种不匹配通常会放大成可重复性误差,在脉冲的一部分丢失或积分中捕获另一个脉冲时,会发生误码。我们的目标是使这种不匹配误差构成整个误差预测很小的一部分。

例如,对图3 中的信号使用长10% 的积分时间,使用4.13 ms、而不是3.75 ms,在捕获第二个脉冲时将产生大约45%的误差。在积分时间及平均的脉冲数量提高时,误差会下降。积分时间提高10 倍将产生1/10的误差。精度改善的代价,是降
低了测试系统的吞吐量。图4汇总了这种关系。


典型DMM 的积分时间在供电电源周期(PLC)中设置。PLC 在60Hz 时为16.7 ms,50 Hz 时为20 ms。使用PLC可以使AC 线路干扰误差达到最小。但是,根据PLC 限制调节典型DMM的积分时间,并不太适合测量基于非PLC的脉冲式电流。这在几百个脉冲周期上导致几秒长的积分时间,以使不匹配误差成为整个误差预测很小的一部分。使用通用DMM在活动状态和待机/扫描状态下进行多项测量,可能会在测试时间中增加几十秒的时间。提供了必要的积分时间精度和分辨率的专用测试设备使测量时间达到最小,优化了测试吞吐量和精度。

通过取样测量系统,可以使用数字滤波器信号处理技术获得明显优势,代替传统的测量积分。通过对采集中取样的值应用加权系数,将在数量很少的脉冲周期内实现非常低的可重复性误差,从而为DC测量提供高吞吐量和高精度。数字滤波函数的阶数和形状决定着加权系数是多少。图4中下面的曲线显示了高阶数字滤波最坏情况下的误差包络。在本例中,可重复性误差在6个脉冲周期中可以忽略不计。作为包络,实现了很小的误差,而不管脉冲周期是否精确匹配。在不能确切知道或控制脉冲周期时,及在有另一个拒绝的信号,如交流线路频率干扰时,这是一个重大优势。某些专用取样测量测试设备标准配备了这些功能。

对电池供电的蓝牙设备进行精确的直流电流测量,对保证规定的电池工作时间、校准和质量至关重要。表1汇总了这些关键测试参数及系统测量需求。在优化制造测试时,测试工程师正确选择工作状态非常重要,以最好地保证满足规定的电池工作时间,同时使测试量达到最小。

蓝牙设备耗电量功率范围宽和脉冲式特点给制造测量带来了挑战。通用系统直流电源和测量设备不能充分满足这些测量需求。提供量程和脉冲信号积分的专用测试设备是优化测试精度、吞吐量和成本的关键。

Agilent 66319B/D和66321B/D直流电源为电池供电的蓝牙设备提供了理想的制造测试解决方案。它们采用专用高速取样测量系统及数字信号处理技术,满足吸收脉冲式电流的此类数字设备的专门测试需求。由于这种高级测量系统,这些直流电流以很低的成本,为实现最优测试结果同时提供了杰出的精度和吞吐量。

其主要特点包括:
高精度测量电流量程,从几安培直到几微安,测试高功率和低功率工作模式。
高速取样技术数字转换脉冲式电流波形及其参数,包括峰值和高功率,进行活动呼叫状态测试,防止因电量不足而过早关机。
15.6 us积分时间分辨率,对脉冲式电流进行快速精确的传统积分测量,优化测试吞吐量。
基于DSP的交替数字滤波设置,对脉冲电流进行快速精确的DC测量,而与确切的周期无关,优化测试吞吐量。
CV 负载工作(电流接收),测试和校准充电电路。
提供了第二个输出,在测试过程中更换充电器。



                                                                                                                                                                                                      摘:Agilent公司网站
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