1. 概覽

對于物聯網時代的設備來說，很多物聯網設備都是由電池來進行供電的，而這些設備本身小體積或便攜式的要求需要有極低的功耗來滿足長時間的運行，如可穿戴設備，智能家居等；另一方面，一些物聯網的應用的場景也不允許對電池進行頻繁的更換，因此這些物聯網都需要對功耗上的設計有多重考量。針對于低功耗的方案，從不同的角度有不同的方法，如從設備工作模式出發進行設計減少功耗，尋求性能與功耗之間的平衡；同時另一方面也增加電池的容量，提升電池續航能力，保證物聯網設備的長時間運行。

因此針對于物聯網設備本身的耗電測試變得越來越重要，而針對于物聯網設備的電池測試也必須非常精準以確保設備的正常運行。另一個非常重要也不可忽視的是，物聯網時代新的硬件設計和測試需求層出不窮，如何適應這些不斷發展的測試要求也需要測試系統本身具有更好的性能及靈活性滿足這樣的變化。本文討論如何使用National Instruments的硬件和軟件創建高度靈活和可定制的物聯網設備電池模擬及分析系統。

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2. 電池模擬

快速瞬態響應提升電源模擬能力

在對于物聯網設備進行測試時，是不需要用自帶電源來進行測試的，因為自帶電源會在測試系統中會額外增加一些變量，并且這些自帶電源也不能進行編程或者進行耗電的測試；使用標準的可編程電源來進行電池的模擬也可能會出現問題，因為如果電源如果不具有與實際電池相同的模擬特性，這可能會導致設備運行在不正確的工作模式。因此使用帶有測量能力的高精度源測量單元便是能夠*替換可編程電源，并且提供電池所具有的模擬特性。

NI的SMU兼具傳統臺式SMU的功能和測量性能，同時采用NI技術，大幅度提高電池模擬及耗電測試的精度和靈活性。 NI的SMU將多種臺式儀器的功能，如高精密電源，數字化儀，萬用表，帶功率輸出的任意波形發生器等功能集成在一個單槽PXIe板卡中。NI SMU這樣小巧的組成結構和模塊化特性使其成為并行電池模擬系統重要儀器，可幫助您在19英寸4U機架空間內開發高達68個通道的高密度解決方案。 對于物聯網智能設備來說，經常需要快速地從uA甚至nA范圍的待機電流轉變到安培級的工作電流，*的動態范圍要求需要SMU具有大范圍的輸出能力。以 PXIe-4138/9在電池模擬中為例， PXIe-4139提供高達3A的電流輸出能力，并且在高功率情況下用脈沖方式實現10A的電流輸出，同時電流靈敏度達到了100fA，針對于高精密的場合非常實用。另外在電池模擬中經常也需要考慮內阻的存在，不同的電池在不同的化學性質和壽命上也會不同，因此在NI SMU中也加入了可編程的內阻。

視頻：通過NI SMU對智能設備進行電池模擬及功耗測試

因此對于源測量單元進行電池模擬中，不同工作模式之間的切換需要有足夠快的響應來完成。NI的源測量單元以來*的技術能夠實現快速的瞬態響應，極速瞬態響應保證物聯網設備工作模式的快速精準切換。同時NI*的SourceAdapt技術，用數字控制循環代替傳統模擬控制循環，使您能夠優化任意負載的SMU響應，這對于電池模擬來說可以任意調節瞬態響應。

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3. 功耗測試

板載數字化儀提升功耗測試能力

針對于物聯網設備耗電需求，儀器的要求也極為嚴格。一般來說進行功耗測試是將設備運行至各種工作模式進行電流的測量。不同的工作模式下電流一般動態范圍*，從nA到安培級的電流，對儀器設備也需要連續提供這些高精度的電流同時也需要進行高精度地測量，對測試儀器以及不同儀器間的配合要求更為嚴格。另一個方面，物聯網設備在面對不斷變化的市場也需要更快的上市時間來迎合用戶的需求，因此在實驗室和量產測試之間測試速度也需要比以往更加快速，并且需要儀器高于目前測試任務的性能來預留性能上的空間， 同時測試設備也需要更加靈活滿足可變的需求。

SMU在硬件上實現了板載帶有1.8MS/s的數字化儀，對于實時捕捉變化波形非常重要，如果沒有這個功能外部就需要另外接入示波器來進行波形的觀察。

圖 1. NI SMU板卡帶有1.8MS/s的數字化儀，對于捕捉波形非常重要

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4. 電池充電特性及充電循環測試

電池充電特性

在物聯網設備設計中使用的zui常見的電池類型是鋰離子（Li-Ion）、鎳鎘（Ni-Cd）和鎳金屬氫化物（Ni-MH）。盡管還有其他類型的電池，但這些類型電池各自針對不同應用類型有對應的特征，但是它們都有許多共性能夠來進行特性分析。zui值得注意的是，電池的充電曲線是一種通用的方式來查看不同的負載條件下以時間的變化查看電壓的變化。下面顯示的是鋰離子電池的典型放電曲線。

圖 2. 鋰離子電池的恒定電流放電曲線

完成充放電周期所需的時間取決于電池的容量以及電池的放電速率。大多數電池以毫安小時（mAh）其充電容量，這直接意味著電池可以提供多長時間電流。例如，如果標準AA電池的容量為1000 mAh，理論上可以以1安培電流大小放電1小時。作為慣例，充電/放電速率通常以1小時內電池放電的電流大小來定義（以“c”為單位表示）。充電循環測試通常以不同的速率（電流值）進行，如1c或0.5c。大多數電池還規定了可安全使用的zui大充電/放電速率，而不會將電池加熱到損壞的程度。

充電循環可以顯示電池的特性，例如電池壽命，電壓電平，可用充電周期數及其他重要信息。因此，充電循環測試通常在新電池設計的研究和驗證期間以及在使用電池的設備的設計期間進行。

電池充電循環測試

執行這些測試需要儀器硬件，可以對電池進行充電和放電，同時精確監測和控制電壓和電流。對于執行充電周期測試，SMU（源測量單元）通常是選擇的工具，因為它可以在測量電壓和電流的同時提供準確的來源（充電）和吸收（放電）電池的能力。以這種方式，可以使用單個儀器來收集各種重要信息。

硬件

NI SMU（以 PXIe-4139為例）能進行4象限運行，可以輸出高達20W（60V，3A）并在脈沖模式下達到500W功率，并在zui低范圍內測量低至100fA靈敏度的電流。NI SMU還具有遠程（4線）感測能力，用于在電池端子處直接精確控制和測量電壓。測試具有小內阻和大電流輸出的電池時，遠程感應能力尤其重要，因為這些因素可能由于鉛電阻的影響從而對精確測量不利。通過提供具有高阻抗測量能力的第二對端子，NI SMU可以更精確地進行電壓特性分析。

圖3. 使用NI SMU執行充電周期測試的連接圖

要執行充電周期，NI SMU被配置為輸出，電壓為正在測試的電池的所需充滿電的電壓（如4V），電流應限制在所需的充電速率（如1c） 。由于不帶電電池的電壓低于SMU上的電壓設定值，所以電流限制將立即執行，SMU電壓將下降至與電池電壓相等。在這種情況下，SMU以電流限制將電流供應給電池，因此電池將充電，并且電池和SMU兩端的電壓將上升，直到達到所需的*充滿的電壓電平。為了顯示充電曲線，SMU上的電壓測量可以定期執行并繪制在圖表上。

要執行放電周期，NI SMU被配置為輸出，電壓為正在測試的電池（例如3V）的所需未充電電壓，電流應限制在所需的放電速率（如1c） 。由于充電電池的電壓高于SMU上的電壓設定值，因此電流限制將立即被強制執行，SMU電壓將增加到等于電池電壓。在這種情況下，SMU將在當前放電速率限制下吸收電流，結果電池將放電，電池和SMU兩端的電壓將降低，直到達到所需的未充電電壓電平。zui后，為了顯示放電曲線，SMU上的電壓測量可以定期執行并繪制在圖表上。

軟件

除了上述對儀器硬件的要求之外，充電周期測試的關鍵考慮是靈活的軟件，可用于控制硬件和檢索測量以及分析和呈現數據。 NI-DCPower是一個兼容IVI的儀器驅動，帶有一個具有交互式軟件前面板，可進行即時測量；同時為NI LabVIEW、NI LabWindows™/CVI和NI Measurement Studio提供了范例程序集和一個綜合API。 儀器軟面板是進行單點測量或為設備連續供電的理想之選。 內置范例提供了現成的程序來生成一個或兩個SMU通道的輸出序列以及繪制響應圖表。 這些范例程序演示了從簡單的源測量配置到高級半導體組件掃頻和IV特性分析等各種概念。 范例通常作為LabVIEW軟件中大型或高度自定義項目或者NI TestStand測試序列的構建塊。

圖4. SMU交互式面板

Figure 5. 使用LabVIEW圖形編程環境編寫的執行充電周期測試的簡單程序

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5. 結論

NI SMU可用于在物聯網設備進行電池模擬及功耗測試，同時針對于電池也可進行充電周期測試，因為其大功率的4象限輸出，從而提供一種驗證電池供電設計的所有元件上的功率特性的方法。

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      王

LabVIEW開發物聯網設備產品電池模擬

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