使用NI PXIe-4081 7½位数字万用表电池验证和功耗分析

物联网时代下各种新型的电子设备都朝着更小、更低成本、更复杂的趋势进行。例如一个简单的智能手表，通过非常小巧的屏幕就实现手机上才能实现的功能。而对于这些物联网设备来说，低功耗的需求是无处不在的，而如何最大限度地延长这些新设备的电池寿命是设计工程师面临的最大挑战之一，所以对于工程师来说经常会花费大量的设计工作来测试功耗和电池性能。此外，工程师还面临着诸多挑战，以满足这些新兴的测试要求。 为了面对这些挑战，National Instruments通过以软件为中心的模块化仪器方法来应对这一需求。

与传统台式仪器的方法不同，模块化仪器为用户提供了灵活性，可以根据实际需求制定电池测试和功耗测试方法。因此，最终的测试数据将直接与测试需求相关，这样就不再需要被功能固定的台式仪器所限制。

例如，通过NI PXIe-4081与NI LabVIEW结合使用，可提供灵活的方案解决电池问题如功耗特性，功能和高分辨率问题，包括漏电流，浪涌电流，功耗，电池储备容量和电池内阻。NI PXIe-4081 DMM如图所示，其特性包括最高26位的分辨率，业界最精准的7^(1/2)位数字万用表和1.8 MS / s数字化仪。电流测量功能可以最低达到1pA（〖10〗^(-12)A）范围。这些功能是完成电池特性的关键。

NI DMM同样使用基于PXI的定时同步技术，这样能够在PXI系统中通过RF射频仪器，开关板卡等模块化仪器进行紧密的配合，完成高度自动化测试的应用场景，加速整个测试速度。

图1 – a. PXI-4081数字万用表模块。PXI系统具有多种模块化仪器。

漏电和功耗测试有助于设计工程师确定并优化其电路性能。

漏电测量
漏电电流是设备处于关闭状态时负载装置从电池中释放出电流。通过测试漏电电流可以告诉设计人员，当设备未被使用时，电池将持续多长时间。要执行此测量，您需要将电池与电流测试仪器串联连接，如NI DMM，它提供了极低（最低至1pA）的电流灵敏度，如图2所示。



图2 – 为了测量漏电电流流和电流瞬变， NI DMM被配置为电流表，并连接在被测器件（DUT）和其电池（Battery DUT）之间。

功耗测量
在对功耗要求极高的物联网设备中，功耗测试有助于预测电池寿命并优化系统电气设计。要测量电池及设备的功耗，您可以同时使用电压数字化仪和电流数字化仪。高分辨率电流数字化仪是传统数字万用表没有的功能，但是这样的功能在NI PXIe-4081 DMM中可配置为1.8 MS / s的数字化仪。该功能允许您使用图2所示的同样测试设备和待测件连接方式来测试电流瞬态变化。如果您还想要获取电压瞬态变化，您可以添加另一个配置为1.8MS / s电压数字化仪DMM，连接到电池的输出，并配置两个DMM同布开始采集数据。

如果预期电池电压在负载范围内不会有显著变化，则可以使用单个DMM的数字化仪来测量电流瞬变。然后可以从测量的电流和假定的恒定电压来计算功率。

下图3描绘了从待测设备中获取的功耗测量结果。测量使用NI PXIe-4081 DMM，并使用NI LabVIEW图形编程环境和NI-DMM仪器驱动软件进行测量和分析。

通过对各种电池的特性分析，工程师可以选择适当的电池，以便以尽可能小的尺寸提供物联网设备所需的瞬时电流；另外，对于电池特性分析来说，电池的存储容量也是工程师所关心的话题。而电池本身所提供的功率是电化学过程的结果，因此刚才所描述的瞬时电流和电池容量也会根据许多因素而变化，如测试方法，温度，电池寿命和制造工艺等。

电池容量测量
电池容量是电池可以存储的能量的量度。通常通过以特定速率对电池放电，并测量电池电压下降到特定值所需的时间。该值根据电池的化学类型而变化，通常电池制造商以1C的放电速率对其电池进行评估，这意味着如果额定容量为1000mAh的电池具有100％的容量，则应能够以1000mA放电速率持续1小时。例如，如果这个电池以1000mA的负载持续放电45分钟，它的储备容量将变为75％。电池容量值越低负载越高，如上所述，其余因素也不同。

要测量电池容量，您需要对特定放电速率的电池提供一个相对应的负载，并在长的时间内进行精确的电压测量。要使用NI DMM执行此测量，您可以将其配置为直流电压模式下的数字万用表，并将其直接连接到电池端子上，如图4所示。



图4 – 为了测量被测电池（BDUT）中的电压变化，DMM被配置为电压模式，并直接连接在电池端子上。 为了测试容量，负载较长时间连接，NI DMM连续进行数据采集。




电池内阻测试
电池的内阻决定了其瞬时电流的输出能力。其内阻值越低，则可以更好地响应瞬态变化的要求，例如当物联网设备从睡眠模式切换到蓝牙连接时。电池内阻的值通常为毫欧（m），甚至有些电池具有微欧级内阻，电池的内阻并不是恒定的，而是与负载相关并动态地变化。另外，内阻也随着温度和寿命的增加而增加，并且由于使用的材料和制造工艺不同，在相同类型的电池之间也会有差异。

内阻的增加可能导致电池性能下降。为了确定电池何时需要更换，测试电池内阻值相对于全新电池时对应的增加比例，这对于工程师来说是有意义的。另外，工程师也经常会测试电池是否能够为其负载提供足够的峰值电流。

为了更好地了解电池的行为，经常会使用电化学模型。最熟悉的模型是Randles电池模型，它由串联了一个电阻R1串联，一个电感L，一个由另一个电阻R2和电容C组成的并联网络组成，如图5所示。如图3所示的工作模式中，工程师会考虑在低频工作下的瞬态响应。因此在这种情况下，可以忽略电感的影响，但必须考虑电池内阻R1和R2。



图 5 – 兰德斯电池模型


传统意义上，电池的内阻是通过在电池的两端施加1kHz频率的直流或是交流电源来测量电压响应。

DC直流源测试方法需要使用几安培数量级的负载电流，这样能在R1 + R2上产生足够大的电压降，使其电压值可以被测量。该测量方法易受1 / f噪声影响，因此需要使用低电流的信号源会产生接近底噪的电压降。 由此方法，通过将施加电流之前和之后的电压差除以电流大小，可以计算出R1 + R2的值。

AC交流源方法通常以1kHz频率施加交流电信号，这样的方法使测量不易受1 / f噪声的影响。该方法使用比DC电流源方法更低的电流大小，但是在Randles模型的情况下，这样的方法仅仅对串联电阻R1测试较为敏感。电感C对于许多电池来说相当大，根据电池类型和容量的不同，电感C的值从几千微法到法拉都会存在。因此，在高频下，其电抗较小，并且R2的作用被掩蔽。当检测电池电阻增加的百分比相对于新电池时测量的值时，该测量方法是有效的。

您可以使用NI信号发生器和NI DMM来构建该测试系统。图6显示了使用PXIe-5433高速信号发生器作为电流源所需的连接和组件。该特定源具有50ohm输出阻抗。电池实际上应该像短路工作一样，因此通过将一个100ohm的电阻串联到输出，并配置电源以1V @ 1kHz信号输出，PXIe-5433信号发生器模块在1kHz下产生6.6mA的电流。，33uF电容用于阻断直流信号。 NI DMM直接连接在电池端子上，并配置为最敏感的电压测试模式。内阻可直接被计算为V/I（在1kHz处的RMS值或FFT幅度）。




图6 – 使用AC方法测量内阻所需的测量部件和连接。电压源（PXIe-5433）用作电流源，通过在输出端增加一个电阻（输出端的电容用于阻断直流信号）。 DMM配置为电压测试，AC电源使能并连接在电池端子上。内阻可直接被计算为V/I（在1kHz处的RMS值或FFT幅度）。


现代电池技术（Akaline，Lithium Ion，Nickel Metal Hydride等）的内部电化学过程与Randles模型略有不同，这进一步使AC方法进行的测量变得复杂。使用1kHz方法获得的结果可能难以与实际应用相对应。

下面描述的测量示例考虑到，当设备通电时，许多消费者电子设备保持低负载，并且当用户使用时偶尔出现高负载，如图3所示。为了复现该条件，测试系统在轻载（例如1mA）下充电一段时间，然后施加较高的负载（例如100mA），并测量由该额外负载引起的电压降。内阻由负载值和测得的电压进行计算。这种测试方法被一些电池制造商使用，如Energizer，来表征其电池的内部电阻。

您可以使用相同的NI模块化仪器系统构建该测试系统，并添加一个用于将不同电阻负载连接到电池的可编程开关矩阵。然后，您可以使用数字万用表简单地测量电池端子的电压降。NI DMM和被测电池及负载之间的连接如图7所示。



图7 – 预置负载连接到电池，用来仿真电池连接到恒定负载的电路中的情况。电池两端上的电压用NI DMM测试，配置为测量输入阻抗大于10G的直流电压。之后将第二个负载并联连接以产生电压降。通过将电压降除以在RLOAD中经过的电流，得出内部电阻。



图8a描绘了通过施加负载引起的电压降。点1对应于1mA预置负载连接到电池的时刻。点2对应于连接100mA负载的时刻，点3对应于卸载该负载的时刻。为了计算内阻（RI），可以通过电压差除以点2和3之间的电流差。点2（I2）处的电流等于电压（V2）除以预置负载电阻（RPL）；点3（I3）处的电流等于电压（V3）除以负载（RL）。

RI = ΔV/ΔI，其中
ΔV = V2 - V3
ΔI = I2 – I3 = (V2/RPL) - (V3/RL)

使用一对预置负载，您可以在不同负载下测量电池的内阻。图8b显示了预负载为1mA，负载为10mA，44mA，95mA，180mA和265mA的D型电池的内部电阻。



图8 – a) 在D型电池上的1mA预置负载下，由100mA负载引起的电压降。 b）D型电池与负载的内阻。使用1mA的预置负载：不同点表示使用10mA，44mA，95mA，180mA和265mA的负载。



可以通过施加高预置负载（例如100mA），然后施加小的额外负载（例如1mA）能够测量内阻的小信号。由第二次负载变化引起的电压降将会很小 - 也许在几十微伏的范围内。要检测这个小电压，需要使用正在测试的相同电源或样品电池提供一个参考电压，将待测电池“清零”，并测量电池与参考电压信号之间的电压差，如图所示在图9中。这可以将数字万用表设置为最敏感工作模式。



图9 – 小信号测量的连接。 NI DMM可以配置为更敏感的直流电压范围。

工程师普遍对于功耗和电池性能的分析感兴趣。测试电池时，工程师通过模拟最接近电池工作状态下进行测试将获得最有意义的信息。

工程师面临着诸多挑战，以适应现有的测试设备，满足这些新兴的测试要求。测试设备制造商（如National Instruments）正在回应这一趋势，为工程师提供完全满足其需求的测量系统所需的软件工具，而不是受供应商定义的传统固定功能仪器的限制。这种以软件为中心的方法为模块化仪器。

利用模块化仪器，工程师有能力自行创建和定义这些测试系统，这些测试系统可以随时根据电池的使用条件进行定制化设计。通过提供灵活软件与开放的软件环境，以及多种信号类型的模块化仪器，几乎所有形式的电池和负载分析都可以使用相同的PXI系统来解决。



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作者：
Claudia Lorente，NI DMM硬件工程师
Ken Reindel，NI测量技术总监

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