如何准确仿真元器件功耗与电池使用寿命

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。

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。

但这是一个错误和危险的假设。

所有这些特性都是相互依存的。评估它们的常规方法包括：

1. 分析法：使用电子表格和数据表建立分析模型；

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。

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。

这里就不提电池寿命长达数年的设备了，这几乎无法测量。

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。

模型

图1：建模抽象

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

图2：电源电压曲线示例

图3：电流消耗曲线示例

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％。

图4：功耗明细以及时间与能量的比较示例

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。

(参考原文：How to accurately simulate power consumption and battery life)

责编：Amy Guan

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