LabVIEW开发物联网设备产品电池模拟

1. 概览

对于物联网时代的设备来说，很多物联网设备都是由电池来进行供电的，而这些设备本身小体积或便携式的要求需要有极低的功耗来满足长时间的运行，如可穿戴设备，智能家居等；另一方面，一些物联网的应用的场景也不允许对电池进行频繁的更换，因此这些物联网都需要对功耗上的设计有多重考量。针对于低功耗的方案，从不同的角度有不同的方法，如从设备工作模式出发进行设计减少功耗，寻求性能与功耗之间的平衡；同时另一方面也增加电池的容量，提升电池续航能力，保证物联网设备的长时间运行。

因此针对于物联网设备本身的耗电测试变得越来越重要，而针对于物联网设备的电池测试也必须非常精准以确保设备的正常运行。另一个非常重要也不可忽视的是，物联网时代新的硬件设计和测试需求层出不穷，如何适应这些不断发展的测试要求也需要测试系统本身具有更好的性能及灵活性满足这样的变化。本文讨论如何使用National Instruments的硬件和软件创建高度灵活和可定制的物联网设备电池模拟及分析系统。

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2. 电池模拟

快速瞬态响应提升电源模拟能力

在对于物联网设备进行测试时，是不需要用自带电源来进行测试的，因为自带电源会在测试系统中会额外增加一些变量，并且这些自带电源也不能进行编程或者进行耗电的测试；使用标准的可编程电源来进行电池的模拟也可能会出现问题，因为如果电源如果不具有与实际电池相同的模拟特性，这可能会导致设备运行在不正确的工作模式。因此使用带有测量能力的高精度源测量单元便是能够*替换可编程电源，并且提供电池所具有的模拟特性。

NI的SMU兼具传统台式SMU的功能和测量性能，同时采用NI技术，大幅度提高电池模拟及耗电测试的精度和灵活性。 NI的SMU将多种台式仪器的功能，如高精密电源，数字化仪，万用表，带功率输出的任意波形发生器等功能集成在一个单槽PXIe板卡中。NI SMU这样小巧的组成结构和模块化特性使其成为并行电池模拟系统重要仪器，可帮助您在19英寸4U机架空间内开发高达68个通道的高密度解决方案。 对于物联网智能设备来说，经常需要快速地从uA甚至nA范围的待机电流转变到安培级的工作电流，*的动态范围要求需要SMU具有大范围的输出能力。以 PXIe-4138/9在电池模拟中为例， PXIe-4139提供高达3A的电流输出能力，并且在高功率情况下用脉冲方式实现10A的电流输出，同时电流灵敏度达到了100fA，针对于高精密的场合非常实用。另外在电池模拟中经常也需要考虑内阻的存在，不同的电池在不同的化学性质和寿命上也会不同，因此在NI SMU中也加入了可编程的内阻。

视频：通过NI SMU对智能设备进行电池模拟及功耗测试

因此对于源测量单元进行电池模拟中，不同工作模式之间的切换需要有足够快的响应来完成。NI的源测量单元以来*的技术能够实现快速的瞬态响应，极速瞬态响应保证物联网设备工作模式的快速精准切换。同时NI*的SourceAdapt技术，用数字控制循环代替传统模拟控制循环，使您能够优化任意负载的SMU响应，这对于电池模拟来说可以任意调节瞬态响应。

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3. 功耗测试

板载数字化仪提升功耗测试能力

针对于物联网设备耗电需求，仪器的要求也极为严格。一般来说进行功耗测试是将设备运行至各种工作模式进行电流的测量。不同的工作模式下电流一般动态范围*，从nA到安培级的电流，对仪器设备也需要连续提供这些高精度的电流同时也需要进行高精度地测量，对测试仪器以及不同仪器间的配合要求更为严格。另一个方面，物联网设备在面对不断变化的市场也需要更快的上市时间来迎合用户的需求，因此在实验室和量产测试之间测试速度也需要比以往更加快速，并且需要仪器高于目前测试任务的性能来预留性能上的空间， 同时测试设备也需要更加灵活满足可变的需求。

SMU在硬件上实现了板载带有1.8MS/s的数字化仪，对于实时捕捉变化波形非常重要，如果没有这个功能外部就需要另外接入示波器来进行波形的观察。

图 1. NI SMU板卡带有1.8MS/s的数字化仪，对于捕捉波形非常重要

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4. 电池充电特性及充电循环测试

电池充电特性

在物联网设备设计中使用的zui常见的电池类型是锂离子（Li-Ion）、镍镉（Ni-Cd）和镍金属氢化物（Ni-MH）。尽管还有其他类型的电池，但这些类型电池各自针对不同应用类型有对应的特征，但是它们都有许多共性能够来进行特性分析。zui值得注意的是，电池的充电曲线是一种通用的方式来查看不同的负载条件下以时间的变化查看电压的变化。下面显示的是锂离子电池的典型放电曲线。

图 2. 锂离子电池的恒定电流放电曲线

完成充放电周期所需的时间取决于电池的容量以及电池的放电速率。大多数电池以毫安小时（mAh）其充电容量，这直接意味着电池可以提供多长时间电流。例如，如果标准AA电池的容量为1000 mAh，理论上可以以1安培电流大小放电1小时。作为惯例，充电/放电速率通常以1小时内电池放电的电流大小来定义（以“c”为单位表示）。充电循环测试通常以不同的速率（电流值）进行，如1c或0.5c。大多数电池还规定了可安全使用的zui大充电/放电速率，而不会将电池加热到损坏的程度。

充电循环可以显示电池的特性，例如电池寿命，电压电平，可用充电周期数及其他重要信息。因此，充电循环测试通常在新电池设计的研究和验证期间以及在使用电池的设备的设计期间进行。

电池充电循环测试

执行这些测试需要仪器硬件，可以对电池进行充电和放电，同时精确监测和控制电压和电流。对于执行充电周期测试，SMU（源测量单元）通常是选择的工具，因为它可以在测量电压和电流的同时提供准确的来源（充电）和吸收（放电）电池的能力。以这种方式，可以使用单个仪器来收集各种重要信息。

硬件

NI SMU（以 PXIe-4139为例）能进行4象限运行，可以输出高达20W（60V，3A）并在脉冲模式下达到500W功率，并在zui低范围内测量低至100fA灵敏度的电流。NI SMU还具有远程（4线）感测能力，用于在电池端子处直接精确控制和测量电压。测试具有小内阻和大电流输出的电池时，远程感应能力尤其重要，因为这些因素可能由于铅电阻的影响从而对精确测量不利。通过提供具有高阻抗测量能力的第二对端子，NI SMU可以更精确地进行电压特性分析。

图3. 使用NI SMU执行充电周期测试的连接图

要执行充电周期，NI SMU被配置为输出，电压为正在测试的电池的所需充满电的电压（如4V），电流应限制在所需的充电速率（如1c） 。由于不带电电池的电压低于SMU上的电压设定值，所以电流限制将立即执行，SMU电压将下降至与电池电压相等。在这种情况下，SMU以电流限制将电流供应给电池，因此电池将充电，并且电池和SMU两端的电压将上升，直到达到所需的*充满的电压电平。为了显示充电曲线，SMU上的电压测量可以定期执行并绘制在图表上。

要执行放电周期，NI SMU被配置为输出，电压为正在测试的电池（例如3V）的所需未充电电压，电流应限制在所需的放电速率（如1c） 。由于充电电池的电压高于SMU上的电压设定值，因此电流限制将立即被强制执行，SMU电压将增加到等于电池电压。在这种情况下，SMU将在当前放电速率限制下吸收电流，结果电池将放电，电池和SMU两端的电压将降低，直到达到所需的未充电电压电平。zui后，为了显示放电曲线，SMU上的电压测量可以定期执行并绘制在图表上。

软件

除了上述对仪器硬件的要求之外，充电周期测试的关键考虑是灵活的软件，可用于控制硬件和检索测量以及分析和呈现数据。 NI-DCPower是一个兼容IVI的仪器驱动，带有一个具有交互式软件前面板，可进行即时测量；同时为NI LabVIEW、NI LabWindows™/CVI和NI Measurement Studio提供了范例程序集和一个综合API。 仪器软面板是进行单点测量或为设备连续供电的理想之选。 内置范例提供了现成的程序来生成一个或两个SMU通道的输出序列以及绘制响应图表。 这些范例程序演示了从简单的源测量配置到高级半导体组件扫频和IV特性分析等各种概念。 范例通常作为LabVIEW软件中大型或高度自定义项目或者NI TestStand测试序列的构建块。

图4. SMU交互式面板

Figure 5. 使用LabVIEW图形编程环境编写的执行充电周期测试的简单程序

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5. 结论

NI SMU可用于在物联网设备进行电池模拟及功耗测试，同时针对于电池也可进行充电周期测试，因为其大功率的4象限输出，从而提供一种验证电池供电设计的所有元件上的功率特性的方法。

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      王

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