Agilent Entladestromanalyse hilft bei der Optimierung der Akkulaufzeit

Bild 1: Ein verallgemeinertes, idealisiertes System zur Messung und Analyse des Entladestroms.

Bei der Entwicklung von Mobiltelefonen ist die Akkulaufzeit ein entscheidendes Kriterium. Die vielen Funktionen moderner Mobilgeräte kosten Strom - und somit Laufzeit. Mit ausgefeilten Stromsparmethoden versuchen Ingenieure, auf maximale Akkulaufzeiten zu kommen. Bob Zollo und Ed Brorein aus der Systems Products Division von Agilent erklären, welche Rolle Messgeräten und Stromversorgungen dabei zukommt.

Die Akkulaufzeit bewertet ein Ent­wick­ler über die Analyse des Entladestroms, dazu gehören die Charakterisierung des Geräts, seiner Firm- und Software und seiner Subsysteme, sowohl einzeln als auch im Rahmen des Gesamtsystems. Er misst den Entladestrom und prüft, wie verschiedene Betriebsarten und Nutzungsprofile den Stromverbrauch beeinflussen. Auf der Basis der so ermittelten Daten kann er beim Power Manage­ment die nötigen Kompromisse treffen, die letztlich die Akkulaufzeit maximieren.

Die meisten Systeme zum Leistungsmanagement sparen dadurch Strom, dass sie gerade nicht aktive Subsysteme im Sub-Millisekunden-Maßstab in einen Schlafmodus versetzen. Daher kann sich die Stromaufnahme des Systems in Bruchteilen von Sekunden drastisch ändern. Ein GSM-Mobiltelefon beispielsweise kann beim Senden 500 Mikrosekunden lang impulsartig 2 Ampere ziehen – und dann für den Rest des 4,5 Millisekunden langen GSM-Zyklus’ auf wenige Milliampere Stromverbrauch zurückfallen.

Zwei Methoden zur Bestimmung der Akkulaufzeit

Zur Bestimmung der Akkulaufzeit kann man das Testgerät mit anfangs vollem Akku in der gewünschten Betriebsart so lange laufen lassen, bis der Akku leer ist. Ein solcher Test dauert allerdings ziemlich lang. Man muss ihn durchlaufen lassen, bis die Akkuspannung unter den Abschaltpunkt gefallen ist. Die Ergebnisse dieses Tests hängen sehr vom Ausgangszustand des Akkus ab, der erheblich variieren kann.

Eine anderen Methode verspricht genauere Messergebnisse: Man schaltet hierzu das Testobjekt in die gewünschte Betriebsart und misst dann eine kurze Zeit lang den aufgenommenen Strom. Die Akkulaufzeit ermittelt man bei dieser Methode rechnerisch, indem man die nominale Akkukapazität durch den Strom dividiert, den das Testobjekt in der gewählten Betriebsart aufnimmt. Dieses Verfahren geht erheblich schneller, weil man zur Ermittlung der Akkulaufzeit nicht auf die vollständige Entladung des Akkus warten muss.

Ein ideales System

Zuerst braucht man eine Möglichkeit, das Testobjekt in die für den Test gewünschte Betriebsart zu bringen (DUT stimulus). Bei Mobiltelefonen verwendet man zu diesem Zweck normalerweise einen Basisstationsemulator. Dann braucht man eine geeignete Stromversorgung für das Testobjekt, entweder eine Strom­ver­sor­gung oder einen Akku. Eine Strom­ver­sor­gung ist praktisch, wenn man das Testobjekt unabhängig von seinem Akku prüfen will. Damit werden die Messungen reproduzierbar, und man kann auch schnell verschiedene Akkuladestände simulieren, ohne dass man darauf warten muss, dass ein realer Akku diesen Ladezustand erreicht (voll geladen, teilweise entladen, vollständig entladen/aufgebraucht). Andere wichtige Bestandteile des Messsystems sind ein Stromwandler zur Messung des Stroms, ein A/D-Wandler zur Erfas­sung des Spannungs- und Stromverlaufs und Soft­ware zur Speicherung der Messdaten (die bei langlaufenden Messungen in die Gigabytes gehen können).

Überlegungen zur Stromversorgung

Verwendet man zur Entladestromanalyse eine Strom­ver­sor­gung, so kann das Testobjekt unabhängig von seinem Akku geprüft werden. Man benötigt für solche Messungen eine Strom­ver­sor­gung mit schneller Lastregelung, damit die Spannung stabil bleibt, wenn sich die Stromaufnahme des Testobjekts schnell und stark ändert, beim Wechsel der Betriebsart etwa oder bei Sendeimpulsen. Bei einer Universalstrom­ver­sor­gung kann unter solchen Bedingungen die Ausgangsspannung um bis zu 1 Volt einbrechen, man braucht daher eine spezielle Stromversorgung (man nennt sie eine “akku-emulierende Stromversorgung”), die die genannten Bedingungen aushält, ohne dass die Ausgangs­spannung einbricht.