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如何准确仿真元器件功耗与电池使用寿命

时间:2020-06-10 作者:Wilfried Dron 阅读:
电池寿命和低功耗是现代电池供电设备长久以来持续关注的问题。在设计之初就对之作出估计非常具有挑战性。本文将介绍如何解决这个估算问题,并创建一个仿真工具和一个模型库,它可以帮助工程师们探索一些可能的体系结构,并更好地设计其设备。
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电池寿命和低功耗是现代电池供电设备长久以来持续关注的问题。在设计之初就对之作出估计非常具有挑战性。实际上,电池寿命和功耗几乎完全取决于设备特性,如硬件、电池、固件、用例及其环境等。假使系统的每个特性都能被大致准确地评估,那么在同一设计空间内评估它们则是一项复杂的任务。cfaEETC-电子工程专辑

有些人可能认为,只要能够单独评估这些设备特性,综合评估问题就没那么严重。cfaEETC-电子工程专辑

但这是一个错误和危险的假设。cfaEETC-电子工程专辑

所有这些特性都是相互依存的。评估它们的常规方法包括:cfaEETC-电子工程专辑

1. 分析法:使用电子表格和数据表建立分析模型;cfaEETC-电子工程专辑

2. 局部原型法:开发一个局部原型来测试和评估大多数特性。cfaEETC-电子工程专辑

两种方法都有其缺点。分析法无法说明设备的动态行为,会产生误导性结果,认为设备性能不佳(如果性能表现出来的话)。而局部原型法不完整,它需要花费大量时间来构建/开发原型,还需要进行大量的测量,而产生的结果仍可能有误导性,因为这种方法是局部的,它并不完整。cfaEETC-电子工程专辑

这里就不提电池寿命长达数年的设备了,这几乎无法测量。cfaEETC-电子工程专辑

本文将介绍如何解决这个估算问题,并创建一个仿真工具和一个模型库,它可以帮助工程师们探索一些可能的体系结构,并更好地设计其设备。cfaEETC-电子工程专辑

模型

图1:建模抽象cfaEETC-电子工程专辑

建模的第一个对象是硬件(即组装并嵌入到设备中的电子元器件)。可以对电子元器件进行建模的语言和框架有几种(参见图1),每一种都有其特征和局限性。比如Wisebatt,他们根据组件的内部行为对其建模。功耗建模要在非常低的级别进行(接近Spice模型),而元器件的所有功能都在非常高的级别建模。元器件的输入参数根据其数据表定义。我们还考虑了每个元器件的电源模式、相关损耗以及内部状态机。这种方法可用于模拟、数字和混合信号器件。cfaEETC-电子工程专辑

电池是我们考虑的第二个建模对象。无论是一次性电池(不可充电)还是二次性电池(可充电),都是一种复杂的化学电源,其特性会随着多个参数的变化而变化。在本文描述的方法中,有几点重要说明:1)其标称容量不能完全使用;2)其电源电压既不稳定也不是线性的。建模电池的方法有好几种。我们选择使用混合法对其进行建模,这种方法考虑了内部电阻变化、电源电压降和实际非线性电容随放电一起降低的情况。这样,我们就可以仿真出电池供电电压超过设备截止电压的时刻,这正是准确估算电池寿命所需要的。cfaEETC-电子工程专辑

最后要考虑的建模对象是固件。每个元器件都有一个功能模型。该功能模型嵌入了一个指令集,用于表达元器件可以实现的功能特征(例如,进入低功耗模式、传输信号等)。我们开发了一种通用指令集仿真器,称为UISS,这样用户能够以一种简单的方式描述其设备固件及其行为特征。UISS还有一个优势是可以非常容易地调换计算单元(例如微控制器)。cfaEETC-电子工程专辑

仿真

建模完成之后,运行一致的仿真也是个挑战。一旦用户组装了元器件和电池模型,并在固件模型中定义了设备行为,仿真就必须运行一致。我们的仿真内核采用从快速事件驱动(FED)方法派生出的离散事件机制。对于上述方法,每个仿真事件(即每条指令)将在给定时间进行处理(即由UISS执行),在每次处理事件之后,总体时间都会变化。cfaEETC-电子工程专辑

默认情况下,FED中的两个事件之间不应发生任何事情。但我们添加了一种自适应(SA)机制,它可以根据电池和元器件模型的非线性程度,在两个已注册事件之间插入更多事件。由于元器件和电池的电气参数将会更加频繁地更新,因此可以提供更准确的结果。相比之下,离散法更可能引发计算错误。cfaEETC-电子工程专辑

当达到第一个截止电压(即截止电压的最大值)时,仿真将停止。系统在仿真中花费的时间即为电池寿命。cfaEETC-电子工程专辑

结果及其准确性

仿真结束时,每个元器件的日志记录都会生成。这些日志会记录电源电压(参见图2)、电流消耗(参见图3),以及在该工作模式下消耗的能量(参见图4)。通过这些日志可以非常快速地发现并优化耗电的元器件/功能特性,从而降低设备功耗。每次仿真只需花费几分钟,这大大减少了评估或架构所需的时间。cfaEETC-电子工程专辑

图2:电源电压曲线示例cfaEETC-电子工程专辑

图3:电流消耗曲线示例cfaEETC-电子工程专辑

该仿真结果在200多个设备上得到了验证。实验包括了对不同设备的环境控制测试和环境温度测试,这些设备使用一次性电池和二次电池,以及不同的硬件和固件,电池寿命从几天到几年不等。总体而言,电池供电电压估算的平均误差为6.17%。而对电池寿命的估算,我们观察到的电池寿命为实际电池寿命的88.44%至103.25%之间,平均误差约为-6.93%。cfaEETC-电子工程专辑

图4:功耗明细以及时间与能量的比较示例cfaEETC-电子工程专辑

本文介绍的仿真工具,其“电源分析”功能特性提供了功耗和电池寿命的分析。此外,现在还提供一些补充信息,对设计或优化低功耗设备至关重要。我们的目标是:自动化大多数低附加值和费时的任务,例如,物料清单估算、元器件电气和功能兼容性,以及元器件配置和供应限制等。cfaEETC-电子工程专辑

(参考原文:How to accurately simulate power consumption and battery life)cfaEETC-电子工程专辑

责编:Amy GuancfaEETC-电子工程专辑

本文为《电子工程专辑》2020年6月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅 cfaEETC-电子工程专辑

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