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【IoT 連網裝置電流變動大,如何捕獲一閃而過的致命缺失?】
在額定電壓下,物聯網 (IoT) 裝置的模組間工作電流往往得錙銖必較,以「奈米」尺度做計算,才能符合低雜訊、低功耗需求 (P=I x V,功率為電流、電壓乘積);這意謂裝置在設計上除了減少電流消耗,也要顧及實際應用細節。以無線醫療裝置為例,因電池供電有限,又需透過藍芽與智慧手機配對連結,電量掌握與數值讀取格外重要;確保使用者能如常追蹤生理資訊,供醫師作為診療參考或在數據出現異常時自動上傳。同時,了解電力消耗情況和剩餘電量,知道何時該充電。
電池供電的裝置多會採用電源管理方案來節能,而等待逾時 (wait for timeout) 和休眠、待機的時間點拿捏、裝置的靈活使用效率與電池續航力息息相關。對開發人員來說,利用示波器長時間記錄電流變化,累積時間與電流資料做積分、模擬耗電情境,找出電流波動的峰值極限 (Peak limit) 是關鍵。若運作中的電流超出可輸出的容量太多,裝置的電力很快就會耗盡;而如何分析電流在實際情境下的脈衝、減少超標峰值出現機率、降低充放循環等,都有賴精確量測儀器做輔助。
一般分流器 (Shunt) 搭配資料擷取 (DAQ) 設備是最常見的簡易量測方式,但使用分流器做電流轉換的峰值電壓容易出界,即使是一般直流電源,待測物的暫態電壓亦可能超出範圍;須花費很多心力去選用不同的分流器、長時間記錄,並做編程和數據誤差修正——傳統測試設備大都有固定偏移誤差,會限制電池的電流量測抽載訊號的表現。偏偏 IoT 連網裝置的動態範圍很大,連網瞬間的電流會急升至安培 (A) 等級,休眠時又回落至奈米安培 (nA)……
一般示波器偵測到 100 微安培 (μA) 已是極限,且縱軸電流解析度只有 8~10 位元;加上選擇適當分流以量測到極低電流,並在高電流下耐受負擔電壓幾乎不可能,記錄時間又不夠長,根本不足以應對!於是,直流電源分析儀、電池模擬器、元件電流波形分析儀等改良式量測工具相繼出籠;另為補強電源量測單元 (SMU) 僅能模擬靜態狀況、無法捕捉曇花一現的瞬間波動之憾,可借助「電源供應器」(Power Supply) 動態模擬電池行為,再經由電流—電壓對照表換算電量。
延伸閱讀:
《Keysight:電路設計、工作模式與電池充放循環影響甚鉅》
http://compotechasia.com/a/____/2016/1114/34041.html
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#直流電源供應器 #先進電源系統APS #電池模擬器
【以「可編程直流電源供應器」模擬電池充電狀態,好處多多】
隨著電池功率密度與先進電源管理技術不斷提升,即便相當耗電的裝置,現都已提供「純電池」供電的選項;從迷你的能量收集裝置、到無所不在的智慧型手機,從家用工具/電器到純電動車皆然。但是,研發工程師在開發電池供電裝置時,不能只使用電池進行例行測試;除非備有非常大量、預設在各種不同充電狀態的電池,否則如何驗證在各種不同充電狀態下,電池供電裝置的設計是否可行?
一旦用於測試後,每顆完成充電的電池,又需要恢復到相同的充電狀態,以備下次使用。這雖然可行,但相當不切實際。另一個方法是:單獨使用真正的電池進行測試,但每次測試前都需費事地將電池設定在指定的充電狀態。這顆電池必須充電或放電,以符合每次測試的充電狀態要求,準備過程非常耗時。如果,使用可設定的電子電池,也稱為「電池模擬器」,可減少冗長的電池準備時間。
相較於使用真正的電池測試,電池模擬器可降低測試的設定時間、建立更安全的測試環境、並提供具重複性的測試結果。在正常溫度與充放電率下,使用電池是安全的;可惜測試過程中,有時會發生無法預期的狀況,例如,設計階段的待測設備可能無法適當運作,並導致電池過度充、放電的狀況。更糟的是,待測裝置可能受損或進入無法預期的狀態,進而引發火災、爆炸和化學品洩漏的風險。
反之,電池模擬器比真正的電池更加安全。電池模擬器包含過電壓與過電流保護等電子式保護電路,可在測試出現問題時中斷測試。此外,手動將電池設定成指定的充電狀態時,很難保證其準確性;通常要先將電池完全放電再充電,以達到指定的充電狀態。如此額外的電池充、放電循環,可能加速電池老化、改變電池特性,無法確認電池是否達到指定的充電狀態,導致測試結果不一致。
然須留意的是,典型電源供應器具有三項不同於電池的特性,並不適合用來模擬電池:首先,電源供應器通常有非常低且固定的輸出阻抗;其次,電源供應器的電源不會使用殆盡;第三,電源供應器是電力來源,但電池既可供給電源 (放電),也會汲取電源 (充電)。因此,必須選用支援二象限電壓源和串聯電阻組成,並具備可程控輸出電壓與電阻的「直流電源供應器」,才能有效模擬充電狀態與電池老化效應。
延伸閱讀:
《使用電源供應器模擬電池的重要優勢》
http://compotechasia.com/a/ji___yong/2016/0725/32565.html
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