電池耗電分析助攻續航力升級　量測儀器/實作流程全解析(1)

在某個科技論壇中，一則關於某家知名智慧型手機製造商的貼文討論串長達數十頁，許多使用者抱怨其最新機型的電池耗電量過大，讓他們感到很失望，進而對該廠商的產品失去信心。

為避免類似事件發生，導致品牌蒙受聲譽損害，工程師需要使用精密儀器準確分析電池耗電情況。本文將說明如何進行電池耗電分析(Battery Drain Analysis)，以及該使用哪些儀器。

什麼是電池耗電分析？

電池耗電分析是指對物聯網裝置、手機和穿戴式裝置等消費性裝置、心律調整器和助聽器等醫療裝置，以及電動車等大型設備的電池耗電量，進行系統化量測和特性分析。

電池耗電分析的目標包括：

• 在不同模式下(例如活躍、休眠或省電模式)量測電池耗電量。
• 分析裝置的各個子系統，包括中央處理器(CPU)核心、藍牙、Wi-Fi、基頻等，對電池使用率的影響。
• 研究外部和內部事件(例如通話或射頻傳輸)對電池使用率的影響。
• 辨識具高功耗的元件和電路。
• 評估溫度和濕度等環境因素對電量的影響。
• 評估軟體元件對電池效能的影響，特別是行動裝置的電池效能。
• 將電源使用率最佳化，以延長電池續航力。

解析裝置用電情形　電池耗電分析至關重要

裝置的運作模式如何影響其功耗？

為了將電池使用率最佳化，物聯網和消費性裝置會在多種模式下運作，同時在這些模式之間進行切換(圖1)。

在活躍模式下，這些裝置會執行主要功能，例如與使用者互動、進行計算或處理某些資料。某些操作，比如射頻傳輸或資料處理，可能產生數百毫安培(mA)甚至低安培(A)的大電流脈衝；在待機和閒置模式下，大多數裝置的子系統會進入閒置狀態，以降低功耗。舉例而言，在低功耗模式下，手機可能僅啟用通知功能，並只讓主要的一個或兩個CPU核心維持運行，其餘的核心則降頻以便節省能源，甚至直接進入休眠狀態；在休眠模式下，手機僅啟用必要功能，所有子系統都處於最低功耗水準，將電流消耗降低至幾微安培(μA)，甚至奈安培(nA)。

導致耗電量增加的關鍵因素

導致行動裝置和物聯網裝置的電池耗電的功能包括：

• 行動通訊傳輸：在4G/5G/6G裝置的射頻單元中，傳輸功率、子載波(Subcarrier)資源區塊數量、傳呼喚醒，以及連接模式非連續接收(DRX)設定等，都會導致大量電流被消耗。4G/5G/6G的多輸入多輸出(MIMO)功能，也會消耗大量電流。
• 衛星傳輸：物聯網和行動裝置中的衛星導航射頻單元將消耗大量電池電量。當視距範圍(Line-of-sight)被遮蔽時，情況更為嚴重。
• 軟體和韌體：後台任務、無線通訊及裝置軟體和韌體的處理演算法，均對電流消耗帶來巨大影響。
• 顯示器：在行動裝置中，顯示器、觸控螢幕和使用者互動都是導致手機電池耗電的主因。
• 環境因素：內部和環境溫度也會增加電池耗電量。

不僅如此，若未能在工程或測試過程中做出最佳決策，同樣會導致電池耗電量增加。

進行電池耗電分析的重要性

針對手機和穿戴式裝置等消費性裝置，電池耗電分析有助於：

• 提高客戶滿意度：使用者皆希望自身的行動裝置只需要充一次電，便可持續運作至少24小時。相較於高耗電裝置，電池續航力佳的裝置更具市場競爭優勢。
• 模擬真實情境：裝置製造商可使用E36731A模擬器等儀器模擬真實情境，並透過電池耗電分析了解並預測電池放電特性。藉由模擬設備，裝置製造商可研究在不同訊號條件、使用模式和應用負載下的電池耗電量，以便準確預測典型使用者情境的電池續航力。
• 找出效率低下的主因：藉由使用電池最佳化系統，例如X8712A系統及其基於事件的電池耗電分析功能，工程師可在研發和品質保證階段，準確找出消耗較大電量的子系統、子電路和元件。
• 提升安全性：當鋰聚合物和鋰離子電池過載或過熱時，恐出現著火情形，因而危及生命和財產安全。電池耗電分析有助於及早發現潛在的過載問題。
• 符合產業標準：想要符合電機電子工程師學會(IEEE)1725和1625充電電池標準，並取得CTIA的電池續航力認證，電池耗電分析是必不可少的步驟。

對於工業或消費性應用中的物聯網，電池耗電分析十分重要：

• 提高關鍵任務應用的可靠性：在醫療保健和工業監控等領域，物聯網裝置提供了關鍵的資料和功能。電池故障可能導致運作中斷、資料遺失，甚至危及生命安全。電池耗電分析可確保物聯網裝置順利地運作數個月，甚至數年。
• 降低維護成本：許多工業物聯網裝置安裝在偏遠地區，因此定期派員維護的成本極高。在此情況下，延長電池續航力是降低運作成本的關鍵。

電池耗電分析助攻續航力升級　量測儀器/實作流程全解析(1)

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