сколько должен потреблять телефон миллиампер
Измеряем потребление батарейки на мобильных устройствах. Эксперимент в Яндексе
В наши дни можно утверждать, что телефон перестал быть устройством только для звонков. Он позволяет нам оплачивать покупки, находить правильную дорогу, вызывать такси. Ситуация, в которой у вас садится батарейка, становится одной из самых стрессовых. Остаться ночью на незнакомой улице без телефона довольно неприятно. При этом расход батарейки растет во многом как следствие расширения возможностей.
Производители как железа, так и софта, стараются решить эту проблему. Для Яндекса она тоже актуальна, потому что наши сервисы — это то, что должно быть под рукой у человека в любой момент. Мы по-разному над этим работаем и в рамках эксперимента создали устройство для измерения тока, который потребляется телефоном с батарейки. Теперь мы умеем мерить мгновенные значения тока с батарейки телефона (Nexus, iPhone и др.) в миллиамперах 500 раз в секунду, сохранять эту метрику на диск и считать по ней среднее потребление.
Под катом я расскажу, как у нас это получилось. Будет много фото железок, но заранее прошу прощения за качество — снимки сделаны в боевых условиях.
С самого начала у нас была какая-то тактика
Несколько месяцев назад, когда мы начинали прикручивать нагрузочное тестирование телефонов к Яндекс.Танку (это наш opensource инструмент для тестирования производительности), мы столкнулись с тем, что одну из самых важных метрик — потребление тока с батарейки — мы не можем замерить достоверно, а на некоторых телефонах не можем замерить вообще. Например, вот как выглядит график потребления тока на iPhone, полученный стандартными средствами от Apple:
Все три запуска теста значение потребления вообще не изменялось и было равно 1/20. Удивляет использованная единица измерения — 1/20 означает, что если телефон дальше будет работать с тем же энергопотреблением, то сядет он за 20 часов. То есть, метрика получается очень неточная и не очень интерпретируемая. Кроме того, цифры в сыром виде получить нельзя, только разве что скриншот сделать и приложить его к тикету.
С Android девайсами ситуация выглядит лучше, но все равно далека от идеала. Ток замерять можно, читая из /proc/… циферку, но лучше не делать это слишком часто — опросом значения можно просадить производительность телефона и испортить тесты. На разных девайсах циферка находится в разных местах файловой системы. На части Android телефонов вообще отсутствует железка, измеряющая ток, поэтому на них не получится программными средствами снимать потребление. На Nexus, которые мы взяли как reference, значение в /proc меняется раз в 20 секунд.
Существует еще проект BattOr, по описанию это примерно то, что мы хотим. Сам я не пробовал связаться с авторами, но коллеги говорят, что команду купил Google и с тех пор от них ничего не слышно и на почту они не отвечают. Совпадение? =)
Для начала, в качестве proof-of-concept, мы собрали схему с шунтом, аналогичную представленной в этой статье. Ток мы измеряли в разрыве провода USB. Поскольку значение силы тока ожидалось небольшое, до 500 мА, пришлось усиливать напряжение с помощью инструментального усилителя, а не снимать его напрямую с шунта ардуинкой.
После еще некоторых танцев с бубном нам удалось получить на экране ноутбука график потребления телефоном тока с USB. Тут мы поняли, что таких измерений нам не хватает — мы мерим не ток с батарейки, а ток с USB, телефон запасает энергию в батарейке, и мы не можем сопоставить график потребления тока с тем, что происходит на телефоне. Решили, что нужно вытаскивать батарейку из телефона и использовать вместо нее внешнее питание, а USB во время тестов вообще не втыкать.
Электроника работает на белом дыме
Как известно, все, чему нас учили на уроках физики и электротехники, — ложь, никаких электронов не существует, а устройства работают на белом дыме. И если этот белый дым выходит, то устройство работать перестает. В очередном эксперименте белый дым вышел из Arduino и мы ее потеряли. Оказалось, что между “0” на входе нашего блока питания и “-“ на его выходе — 88 вольт переменного напряжения. После еще нескольких экспериментов с разными БП мы поняли, что не все они одинаково хороши, но есть такие, которые нам подходят. И мы стали использовать эти подходящие. Также мы решили больше не использовать схему с шунтом и инструментальным усилителем и вместо этого взять готовый модуль измерения тока к Arduino на базе MAX471, которая по сути то же самое, только в виде микросхемы. Еще мы рассматривали вариант на базе датчика Холла (ACS712), но, изучив документацию на этот чип, увидели, что он сильно шумит и решили даже не пробовать.
Для того, чтобы питать современный телефон не от встроенной батареи, а от внешнего источника, мало его разобрать и вытащить батарею — уж слишком умны современные батареи. Поэтому мы вытаскиваем из батареи контроллер и подключаемся уже к нему.
Чтобы вернуть модифицированный таким образом iPhone (или другое устройство) в собранное состояние, мы сверлим корпус и выводим два проводка.
Вот такая коробочка у нас получилась в результате. Правда, в метро ее лучше не возить, телефон, провода, вот это все… могут не понять =)
Что нам это дает
Мы уже начали внедрять тестирование наших приложений на энергопотребление, так что ждите улучшений в этой области. Процитирую коллег, которые пользуются нашей коробочкой.
Для получения релевантного результата теста при прямых замерах батарейки этим устройством достаточно пяти минут. Если же замерять «как раньше», то есть смотреть на скорость уменьшения % заряда батареи — то требуется 6-8 часов, плюс не забывайте про человеческий фактор. То есть, время теста сократили с 8 часов до 5 минут: почти в 100 раз.
Текущий разброс результатов замера ± 15%. Это не идеал и надо погрешность уменьшать. Однако, теперь доверие к результату повысилось за счёт исключения человеческого фактора и существенно меньшего времени на 1 замер. Достаточно выполнить за полдня много-много замеров и отсечь результаты, пострадавшие от внезапных всплесков непонятной активности на телефоне.
Стало возможным кросс-платформенное, и кросс-девайсное сравнение значений. Единица измерения — mA, а не «скорость уменьшения процентов заряда», которая зависит от платформы, объёма батареи, «свежести» батареи, не говоря уже про запущенные процессы… Сравнить только mA при одном и том же запущенном Я.Сервисе на Andoird и на iOS — нельзя. Надо добавить поправочный коэффициент — сколько жрёт каждая платформа, без Я.Сервиса. Но, это опять-таки вопрос на пол дня замеров (и это с кофе-поболтать).
Пара слов про софт
Чтобы собирать данные от Arduino (а она просто 500 раз в секунду шлет их по USB), мы написали простенькую читалку. На Python возникли проблемы с повторным открытием устройства на чтение — во второй раз данные уже не читались. Мы не стали разбираться и просто переписали то же самое на Golang — после этого все заработало.
Если вам интересны исходники читалки, прошивка и код для обработки данных — могу поделиться, пишите в личку.
Как измерить ток телефона и определить на сколько времени хватит заряда его аккумулятора.
Хорошо быть уверенным, что твой телефон будет работать в то время, когда он нужен. Ведь внезапное окончание заряда аккумулятора может привести к отсутствию связи именно тогда, когда должен произойти важный звонок. Чтобы свести вероятность данной проблемы к минимуму неплохо бы знать какое количество электрической энергии потребляет телефон в том или ином режиме своей работы. Допустим вы зарядили телефон на 100% и планируете обходится без подзарядки продолжительное время. Но при этом есть нужда в использовании различных приложений, которые установлены на телефоне. Дело в том, что при работе разных приложение потребление тока также разное. Давайте с вами разберемся, как можно измерить количество потребляемой энергии телефоном, чтобы для себя знать, какими функциями можно больше пользоваться, а какие лучше запускать только при необходимости. Чтобы продлить время работы телефона, когда он используется в отсутствии доступа к подзарядке.
Итак, нам понадобится обычный амперметр постоянного тока. Простой электронный мультиметр для этих целей как раз подойдет. Если у вас его еще нет, то желательно приобрести хотя бы самую дешевую его модель. Так как в личном инструменте домашнего мастера он должен быть у каждого. Берем мультиметр, выставляем на нем режим измерения постоянного тока на пределе до 10 ампер. Но перед этим нужно подготовить для измерения сам телефон. Для этого снимаем заднюю крышку телефона, чтобы добраться до аккумулятора. Выключаем телефон и вынимает аккумулятор.
Как известно, чтобы измерить ток, нужно щупы мультиметра подключить в разрыв цепи, а именно. Эти щупы мультиметра должны быть между плюсовым выводом аккумулятора и плюсовым контактом самого телефона. Хотя можно измерительные щупы подключить и между минусами тех же контактов. То есть, если мы будем использовать плюсовые контакты, то минус аккумулятора и минус питания телефона должны быть соединены. Ну, а если используются минусовые контакты, то соединены должны быть плюсовые контакты.
Теперь как можно сделать выводы, к которым и будем подсоединять свой амперметр, своими руками (это нужно для удобства измерения). Берем два куска изолированного многожильного провода, небольшого сечения. Подойдут любые провода диаметром где-то 0,3-0,5 мм. Слишком толстые будет не совсем удобно использовать, а слишком тонкие будет являться дополнительным сопротивлением для прохождения тока. Длина проводов где-то 20 см. Хотя она особо роли не играет. Лишь бы не были слишком длинные или слишком короткие. Ведь это просто не совсем удобно. С концов этих проводов снимаем изоляцию на расстоянии где-то 3 мм.
Еще нам понадобится кусочек обычного скотча, который будет служить изолятором между ранее заготовленными проводами, а точнее между их оголенными частями. Смысл заключается в том, чтобы аккуратно соединить концы этих проводов, ровно зафиксировав между ними этот кусочек скотча. Размеры куска скотча должны быть такими, чтобы полностью покрывать один контактный вывод на аккумуляторе (плюса или минуса). После этого эту проволочную конструкцию нужно также аккуратно зажать между аккумулятором и контактами питания самого телефона. В итоге мы получим как бы разрыв одного из полюсов питания телефона. Если соединить эти провода другими концами, то телефон включится, нажав предварительно кнопку включения.
Итак, теперь можно приступать к самому измерению тока потребления. Мы измерительные щупы мультиметра подсоединяем к нашим проводам, идущим от телефона. Включаем мультиметр и телефон, после чего пристально смотрим на экран амперметра. Уже при запуске амперметр покажет определенные значения тока. Дожидаемся пока телефон полностью загрузит свою операционную систему и войдет в нормальный режим своей работы. Ну, а теперь уже можно и тестировать величину потребления тока в различных режимах работы устройства связи и развлечения.
Начинаем по очереди запускать различные приложения на телефоне, и при этом наблюдаем за изменением потребляемого тока.
Лично у меня получилось так:
» больше всего тока потребляется при записи видео с камеры, около 700 мА;
» при работе самого экрана на средней яркости ток около 200 мА;
» в режиме ожидания с погасшим экраном ток практически не потребляется;
» при воспроизведении видео на плеере ток где-то около 250 мА;
» при прослушивании музыки с погасшим экраном ток около 30 мА;
» просмотр фотографий приравнивается к рабочему экрану – 200 мА;
» в режиме телефонного разговора ток потребления около 300 мА.
Теперь как можно исходя их увиденных величин тока понять, на сколько именно хватит заряда аккумулятора смартфона. Тут все просто. Нужно имеющуюся емкость остаточного заряда аккумулятора разделить на имеющиеся значения тока. Допустим мы полностью зарядили свой смартфон. Реальная емкость аккумулятора в этом телефоне равна 3000 ампер. Значит нужно 3000 разделить, к примеру на 300 мА (средне потребляемый ток при разговоре по телефону). В итоге мы получим 10 часов беспрерывных разговоров на полном заряде аккумулятора. Если же наш аккумулятор разрядился на половину и имеет заряд на 50%, то значит его емкость уже равна где-то 1500 мА. Значит при половинном заряде мы будет разговаривать без перерыва около 5 часов (1500 делим на 300). Вряд ли вы будете без перерыва столько говорить, хотя у некоторых так и бывает.
В результате наших действий мы имеем. Допустим батарея разрядилась уже до 20%. При этом мы сразу же в голове подсчитываем, что примерная остаточная емкость заряда аккумулятора равна где-то 600 мА. И зная какие функции телефона сколько потребляют тока мы начинаем экономить. То есть, можно слушать музыку без включенного экрана, либо разговаривать непродолжительное время. Примерно прикидывая остаточное время. В итоге мы можем обезопасить себя от нежданного полного разряда своего телефона и его внезапного отключения.
Доказано: большой аккумулятор не гарантирует высокую автономность смартфона
Время автономной работы — важный критерий при покупке любого нового смартфона. Редакция портала Android Authority делает всё возможное, чтобы на практике проверить автономность каждого устройства. Тем не менее иногда кажется проще обратиться к характеристикам смартфона, взглянуть на ёмкость аккумулятора и сделать вывод о времени работы на основе этих цифр. И часто это приводит к тому, что пользователей разочаровывает короткое время автономной работы от, казалось бы, гигантского элемента питания на 4 000 мАч, или, наоборот, приятно удивляет, как долго может проработать крошечная батарея внутри таких смартфонов, как Pixel 3a или iPhone SE.
Ёмкость аккумулятора в мАч — относительно бессмысленный показатель, если рассматривать его отдельно. Срок автономной работы на самом деле представляет собой очень сложный пазл с огромным спектром аппаратных и программных переменных. В своей статье авторы Android Authority попытались разобраться, почему вы не должны опираться на ёмкость аккумулятора как на единственный показатель продолжительности автономной работы.
Что вообще означает показатель мАч на аккумуляторе
Аббревиатура мАч, которая указывается в характеристиках аккумулятора, расшифровывается как миллиампер-час и означает, сколько тока в миллиамперах (мА) он может подавать в течение часа (ч). Так, батарея ёмкостью 1 мАч может обеспечить ток 1 мА в течение одного часа, а батарея ёмкостью 1 000 мАч обеспечивает ток 1 мА в течение 1 000 часов. Однако батарея ёмкостью 1 000 мАч, обеспечивающая ток в 2 мА, прослужит всего 500 часов. Конечно, смартфоны не способны проработать от батареи сотни или тысячи часов, потому что потребляемый ими ток превышает 1 мА. И чем больше показатель потребления тока вашего смартфона, тем меньше он работает от аккумулятора.
При прочих равных смартфон с аккумулятором большей ёмкости проработает без подзарядки дольше, чем тот, у кого аккумулятор меньше. Однако это случается редко, поскольку внутреннее оборудование и, следовательно, энергопотребление смартфонов сильно отличаются. Так, один смартфон может потреблять на 10%, 20%, а то и 30% больше энергии, чем другой. Уникальное аппаратное и программное обеспечение внутри каждого смартфона означает, что нет двух полностью одинаковых устройств. Вот поэтому значение ёмкости аккумулятора в мАч не даст вам никакой точной информации о сроке службы без подзарядки.
Тест: время автономной работы смартфонов в зависимости от ёмкости батареи
Прежде чем мы углубимся дальше в эту тему, давайте проведём небольшое испытание. Мы протестировали партию смартфонов с различными характеристиками и ёмкостью аккумулятора с помощью нашего внутреннего теста Speed Test G и отметили, через какое время каждая из протестированных моделей разрядилась. Надо сказать, что Speed Test G — это довольно жёсткий стресс-тест, поэтому его результаты отражают минимальное время автономной работы, на которое вы можете рассчитывать, используя смартфон по максимуму.
Тест показал отсутствие чёткой и очевидной тенденции. Можно было ожидать, что по мере увеличения ёмкости стабильно будет увеличиваться и время автономной работы, но на деле это оказалось не так.
В то время как наши смартфоны с гигантскими аккумуляторами на 5 000 и 6 000 мАч в ходе нашего экстремального стресс-теста продемонстрировали один из самых высоких показателей автономности, на самом деле дольше всех проработал Google Pixel 3a XL с аккумулятором на 3 700 мАч. Точно так же разницу в несколько минут во времени работы показали Pixel 4 XL с батареей ёмкостью 3 700 мАч и ASUS ZenFone 6 с аккумулятором на 5 000 мАч, подтверждая, что сама по себе ёмкость батареи не является гарантией высокой автономности. Наш стресс-тест не выявил прямой зависимости между ёмкостью батареи и временем автономной работы.
Возможно, самая заметная тенденция, которую выявил наш тест, заключается в том, что автономность многих смартфонов в условиях сильного стресса находится между отметкой от 3 часов 30 минут до 4 часов. Похоже, это и есть та самая золотая середина, на которую нацелены большинство производителей смартфонов. Интересно, что Google Pixel 4 с батареей на 2 800 мАч, Samsung Galaxy S20 на базе Exynos и с аккумулятором на 4 000 мАч и OnePlus 8 Pro с батареей на 4 510 мАч находятся всего в нескольких минутах друг от друга. Очевидно, что разные характеристики и программное обеспечение по-разному нагружают аккумуляторы смартфонов. Но в чём именно заключаются эти различия?
Всё зависит от того, на чём работает ваш смартфон
Аккумулятор питает всё оборудование внутри вашего смартфона — от процессора до дисплея и других компонентов, встроенных в него. И очевидно, что разные компоненты потребляют и разный объём энергии. Например, процессоры начального или среднего уровня требуют меньше энергии, чем их флагманские аналоги. Проще говоря, для более высокой производительности понадобится и больше энергии. Часто именно поэтому доступные смартфоны имеют более продолжительное время автономной работы, чем устройства премиум-класса при любой ёмкости аккумулятора. Но, как мы видели, даже флагманские смартфоны могут иметь очень разный уровень энергопотребления.
Есть несколько отличных примеров, как дополнительное оборудование расходует заряд батареи. Google Pixel 4 и его радиолокационный чип Soli являются ярким доказательством того, как дополнительная функция быстро истощает аккумулятор. ToF-камеры, мощные стереодинамики, 4K-дисплей — всё это значительно увеличивает потребление энергии. Даже такая мелочь, как зарядка стилуса S Pen на последних смартфонах Samsung Galaxy Note, негативно отражается на заряде. Да, все эти особенности делают смартфоны уникальными, но за них нужно платить.
Нынешняя тенденция к увеличению частоты обновления дисплеев играет большую роль в том, почему современные смартфоны потребляют так много энергии. Возможно, именно поэтому смартфоны серии Samsung Galaxy S20 «из коробки» имеют частоту 60 Гц, хотя технически и поддерживают 120 Гц. А режим 90 Гц в Pixel 4 связан с яркостью дисплея для экономии заряда батареи. Причина заключается в том, что чем быстрее обновляется картинка на экране, тем больше он и процессор смартфона потребляют энергии. Хотите ещё примеры? А знаете ли вы, что OnePlus 8 с аккумулятором ёмкостью 4 300 мАч и дисплеем на 90 Гц работает дольше, чем OnePlus 8 Pro с батареей на 4 510 мАч и дисплеем на 120 Гц? В целом, оба этих смартфона имеют практически идентичные характеристики, подтверждая, насколько большое влияние на время автономной работы оказывает дисплей и частота его обновления.
Время работы аккумулятора — это не только вопрос оборудования. Программное обеспечение смартфона также может влиять на время автономной работы, например, отключая фоновые приложения, чтобы снизить загрузку процессора.
Энергоёмкий 5G
Ещё одна недавняя тенденция, усложняющая зависимость между ёмкостью аккумулятора и временем автономной работы, — это запуск сетей 5G. Модемы и компоненты, обеспечивающие поддержку сотовых сетей пятого поколения, требуют больше энергии, чем аналогичное оборудование для 4G, а это означает, что батарея смартфона при работе в сетях 5G будет разряжаться быстрее. Ещё больше усложняет ситуацию тот факт, что разные 5G-модемы и чипсеты имеют разную потребляемую мощность.
Чипсеты среднего уровня со встроенными 5G-модемами, такие как Exynos 980 и Snapdragon 765G, должны потреблять немного меньше энергии, чем внешние 5G-модемы премиум-класса, используемые во флагманских смартфонах. Отчасти это может быть причиной того, что такие смартфоны, как LG Velvet и Pixel 5, отказались от энергоёмкого флагманского чипсета Snapdragon 865. Опять же, вышеупомянутые чипы имеют более низкую пиковую скорость, так что это ещё один компромисс между автономностью и производительностью.
Переход на 5G, несомненно, увеличил потребность в более ёмких батареях. Однако это зависит от того, используете ли вы на самом деле сеть 5G или 4G. Если вы пока остаётесь на 4G, то энергопотребление у вашего 5G-смартфона не будет таким высоким, как при работе в сетях пятого поколения, а время автономной работы должно соответствовать предыдущим поколениям. Опять же, всё это зависит от оборудования. Как говорит глава Redmi Лу Вейбин, переход с 4G на 5G требует как минимум на 20% больше энергии. То есть у 5G-смартфона ёмкость аккумулятора должна быть примерно на 20% больше, чтобы обеспечить такое же время автономной работы, как у аналогичной 4G-модели.
В поисках лучшего времени автономной работы
Ключевой вывод, к которому мы пришли, заключается в том, что сделать смартфон с аккумулятором, от которого он проработает целый день без подзарядки, не так просто. Производители должны учесть всё — от стоимости до оборудования, которое они собираются использовать. И чем функциональнее смартфон, тем сложнее балансировать. Большинство производителей стараются достичь баланса между ёмкостью аккумулятора и остальными характеристиками, который позволит смартфону прожить целый день при обычном режиме использования.
Наш стресс-тест не выявил прямой зависимости между ёмкостью батареи и временем автономной работы, потому что её нет. Большие аккумуляторы, очевидно, обеспечивают больше энергии для игр, но выбор производителями других комплектующих не меньше влияет на фактические показатели автономности, чем ёмкость аккумулятора. Смартфоны среднего уровня с менее энергоёмкими технологиями, такие как Pixel 3a, довольствуются маленькими аккумуляторами и при этом способны проработать без подзарядки в течение всего дня. В премиум-сегменте производители используют батареи большей ёмкости для питания таких требовательных опций, как 5G, высокая частота обновления дисплея и повышенная производительность для игр.
Конечно, время автономной работы будет зависеть и от того, как вы используете свой смартфон. У обычных пользователей, использующих браузер и соцсети, к концу дня заряд батареи смартфона будет гораздо больше, чем у мобильных геймеров.