最大化实现物联网设备的电池寿命，需要仔细权衡电池和负载之间的连接方式。在特定应用中，选用DC/DC 转换器通常是提供稳压电源的最佳方案。这种架构能够实现最佳电池利用率，并且最大程度减少能量浪费。DC/DC转换器必须效率极高，才能完美符合设备的电压和电流需求。

那么，应该如何选择合适的DC/DC转换器呢？虽然数据手册上能够一眼看完性能数据，但在实际系统内部对设备进行特性表征才是最佳途径。本文将为您展示这一套完整的测试流程。

被测系统

我们设置的系统向Arduino Pro Mini供电，由一节1.5V碱性干电池和一个将电压升至3.3V的DC/DC 升压转换器组成（见图1）。Arduino板上的定时器会以特定的时间间隔启动系统。在这些开机运行的间隔时间内，我们希望系统运行效率越高越好，也就是说，在整个电池寿命周期内，系统能够充分利用DC/DC转换器在工作模式下1-10mA范围内的高效率，同时也要考虑到电池电压随着时间逐渐下降的影响。对于那些睡眠模式功耗远超工作模式功耗的系统，DC/DC转换效率就没有那么重要了。

（图1：被测的物联网系统拓扑图）

电池特性

当将负载 RL 连接到开路电压（空载电压）为 E 的电池时，由于电池内部存在内阻 Ri，负载两端的电压将会发生跌落。随着流入负载的电流增加，由于在内阻上产生的压降，电池的实际输出电压 U 将会随之下降。纽扣电池和 AAA 电池（7号电池）都具有很高的内阻，因此它们无法承载大电流负载，否则会导致输出电压过低。

(图 2：带有负载和内阻的电池等效电路图)

如果负载是纯阻性的（例如一个简单的电阻），随着电池放电且电压下降，从电池中抽取的电流也会随之减少。然而，当电池连接了 DC/DC 转换器并向相同的负载提供固定的输出稳压时，情况则完全相反：随着电池电压的下降，从电池中抽取的电流反而会增加。这将会加速电池的放电，导致电压进一步下跌，从而引发电流更大规模的激增，以此往复，形成恶性循环。

被测的 DC/DC 转换器

在本测试使用的 DC/DC 转换器数据手册中（参见图 3），效率被定义为特定电压下（此处为 1.2V）负载电流的函数。假如厂家能提供更全面的信息的话，这些数据会非常有用，例如在0.8V - 1.5V 完整范围内的效率表现。更完美的情况下，用户能得到“从电池抽取的电流”作为自变量的效率曲线，并将 DC/DC 的自身功耗（静态电流）以及外围组件损耗（主要是电感损耗）都包含在内。

(图 3：DC/DC 转换器特性曲线图)

随着电压下降，从 DC/DC 转换器抽取的输入电流增加，导致电池的电压进一步降低（本文仅测试室温环境下的系统行为）。通常情况下，升压型DC/DC 转换器的转换效率会随着输入电压的降低而发生塌陷。

DC/DC 转换器的特性表征

为了进行本次 DC/DC 特性表征，测试测量架构包含一台 Otii Arc，它既作为系统的电源，同时也充当电池模拟器和电流测量仪器。Otii Arc Pro可以在为系统供电的同时，同步测量输入电压、输入电流、以及来自 DC/DC 转换器的输出电压与电流。通过将输出功率除以输入功率，即可计算出实时的转换效率。

为了测量来自 DC/DC 转换器的输出电流，需要串联一个采样电阻，参见图 4。该电阻的阻值必须足够大，以便为测量提供足够的解析度（分辨率）；同时又要足够小，以免引入过大的压降或超过分流器的电压量程限制。

(图 4：Otii 功耗测量设置拓扑图)

在这个示例中，我们使用了一个 4.7 欧姆的采样电阻，会在 8 mA 的电流下产生 37 mV 的压降。该压降不会影响 Arduino 的正常工作性能。Otii 的 ADC 扩展端口电压量程为 -81.9175mV 至 81.2mV，因此 37mV 完全处于该安全量程之内。在 Arduino Mini 上运行这样一个简单的应用，Otii的LED 灯闪烁着，同时测量该特定应用场景下的 DC/DC 转换效率。

尽管这些测量可以通过手动方式逐点进行，但为了节省时间，我们选择将整个流程自动化：自动将输入电压从 1.5V（满电电池）逐步递减到 0.9V（几乎耗尽的电池），并计算随时间推移的 DC/DC 转换效率，以真实反映实际使用场景。该自动化方案使用 Otii Automation Toolbox（自动化工具箱），通过 Python、C# 或其他语言编写脚本都可以实现。

在每次测量之间，我们会断开电源实现系统复位。通过这种操作，可以完整地观察到整个启动阶段以及系统的活跃工作阶段表现。

测试结果

(图 5：Otii 应用程序中显示的 DC/DC 转换器输出电流界面)

图 5 显示，来自 DC/DC 转换器的输出电流（图中的 ADC Current Arc 通道）在不同的输入电压下保持相对恒定。只要 DC/DC 转换器在设计范围内正常工作，这一结果完全符合预期。然而，当输入电压降低时，主回路的输入电流（图中的 Main Current Arc通道，参见图 5）会出现明显的飙升。

(图 6：测量结果的 Matlab 分析图表)

图 6 展示了在不同电池电压下的 DC/DC 转换效率。可以看出，DC/DC 转换器的平均效率随电池电压的变化而剧烈波动。在 1.5V 输入时，转换效率高达 87% 以上；而当电压跌至 0.9V 时，效率已骤降至 79% 以下。此时 Arduino 充当负载，在 LED 点亮时消耗大约 5.1 mA 的电流，在 LED 熄灭时消耗大约 3.6 mA。正如预期，数据手册中的标称值在较高的电池电压下提供了准确的参考数值。然而，对于较低的电压，官方数据手册并未提供相关数据，自主进行特性表征的重要性显而易见。

结论

由电池供电的嵌入式和物联网（IoT）设备通常长期处于睡眠模式，功耗极低，仅在进行短暂、高能耗的任务时才会唤醒。与此同时，每种IoT产品类型都有其独特的功能配置与架构设计。世界上不存在一个能够通吃所有产品的万能电源设计。因此，为了给您正在开发的产品寻找到最佳的电源解决方案，各位开发人员必须对电池和负载进行特性表征、精心设计电源管理架构，并对整个系统进行全方位的闭环验证。

以上，本文演示了在电子设计案例中如何对 DC/DC 转换器进行特性表征。DC/DC 转换器数据手册提供的性能指标通常存在局限性。在整个系统生态中全面测试其效率，才是最地道、最彻底的“低功耗设计思维”。而借助 Otii 系列工具链，这一过程将变得极为简单。