在低功率无线电系统中节省电力
到2030年,联网物联网设备的数量预计将跃升至1250亿。这并不难以置信,因为2019年全球物联网支出达到了7450亿美元。在这样的背景下,电子设计师面临着优化设计的压力,尤其是在电池寿命方面。
在本文中,ByteSnap设计总监DunstanPower深入探讨了设计低功耗无线电系统的关键考虑因素。
平衡法
降低设备的功耗,同时实现理想的功能水平,是低功耗设计中最具挑战性的方面之一。目前每一个成功的低功耗无线设备都是一个成功的平衡行为的结果,开发者权衡了他们的优先级,并做出了一系列妥协,最终形成了一个功能良好的设备。
软件设计
在项目开始时所做的系统选择决定了可以实现什么。建议从一开始就针对低功耗进行设计,首先要考虑的是要部署的无线电类型。选择范围很广,从ZigBee、Thread、蓝牙和Wi-Fi等短距离无线电到LoRa、SigFox和Weightless等长距离低功率无线电,以及蜂窝无线电系统。
一些无线电波长比其他无线电波长传播得更好,这意味着提高了功率效率。较低的频率往往比较高的频率传播得更好,但折衷方案是降低了潜在的数据速率。更高的频率往往覆盖更短的距离,但具有更高的带宽和更快的传输速度。信号需要传输的距离越长,通常可以使用的速度就越慢。
还要考虑无线电系统拓扑——如果管理得当,这可以提高系统的效率和速度。当主设备不是电池供电并且能够单独管理网络负载时,星型拓扑是理想的。或者,在所有设备都是低功率的情况下,具有多个中继器的网状网络可能更合适。
微控制器的选择通常很简单,设计人员通常会有一个他们熟悉的家族/制造商。如今,大多数小型处理器——基于PIC、AVR、ARM的——都具有低功耗模式,可用于降低操作期间所需的功耗。他们依靠中断再次唤醒他们。其中许多还具有快速唤醒系统,以将准时保持在最低限度,从而降低使用的功率。
低功耗无线的范围意味着每个项目的电池选择都不同。然而,当无线电系统需要不频繁的电流突发或电池需要充电时,选项通常很快就会受到限制。
电池制造商的数据表可以提供帮助,但大多数将显示基于恒定电流消耗的电池放电曲线,并且通常比低功率系统使用的电流消耗更高。必须使用一些插值来确定低功耗系统中会发生什么。
此外,像这样的无线电系统往往在睡眠时使用最小的功率,然后在唤醒时需要大电流脉冲来进行接收和传输。有些电池不适合这个。
环境因素也会影响电池的选择及其使用。寒冷的环境会降低电池的电压和设备的整体可用电池寿命。高温也会对某些电池产生不利影响。
因此,电池选择过程是迭代的。为了找到最佳候选者,值得尝试一些符合规格的类型。下表展示了一些常见电池类型的一些特性:
一旦选择了电池,就必须确定一个分界点。对于一般的超低功耗系统,性能随电压变化的组件需要格外小心。例如,LCD显示器和LED的电池电量会减少到对比度消失或LED关闭的程度。为了获得最佳的用户体验,您必须确保您工作的电池电压足以保持其正常运行。
如果系统需要输入电压(当达到截止点而电池仍有可用容量时——例如,如果标称3V系统在2.5V时截止),则可能需要升压调节器。但是,在这样做时需要考虑妥协:
稳压器应该设置到什么电压?
稳压器的效率是多少?它如何随输入电压变化?
当输入电压高于设定电压时,即安装新电池时会发生什么?
调节器因效率低下而浪费的功率是否抵消了容量的任何增益?
升压转换器能否通过将电池消耗到低于系统将关闭的电压来充分利用电池的容量?
硬件设计
尽量减少引体向上和其他设计技巧
低功耗无线电系统设计需要注意在功耗不重要的设备中容易被忽略的细节。
对于普通的电源供电系统,您不必担心通过上拉电阻器漏电等因素。在低功耗系统中,功耗可能成为一个问题。这就是一些妥协的地方:
调整天线
即使范围在设计中很重要,也要记住调整天线。通过这样做,工程师可以最大限度地减少实现所需范围所需的传输功率。
响应性和唤醒时间
低功率无线设备必须迅速达到“有用”状态。用户触摸屏幕和系统响应之间的时间是背光灯打开和消耗功率的时间,这可能会减慢响应时间。通常有一个或多个组件专用于唤醒主处理器,简单地关闭设备并不是节省电池电量的有用方法。
同步
许多低功率无线电设备相互通信以接收数据或指令。要做到这一点,接收者必须能够接收信息。两端必须同步并保持同步,但我们建议尽量减少所需的接收器使用。
在两个电池供电设备进行通信的系统中,两者都将进入低功耗/睡眠模式以延长电池寿命。因此,不能保证数据通过或被接收而不会损坏,因此已经开发了各种协议,如错误检测和确认,以解决这个问题。
注意温度漂移
系统中的每个活动设备都使用某种时钟。这些可能会随温度漂移,这意味着注意可能导致有源设备之间的时间差异的环境因素是关键。在设计系统时考虑漂移至关重要,因为它会导致电池功耗增加。
最小化发射功率
不要将输出功率不必要地提高到超出需要的范围——如果无线电链路只需达到10米,则不太可能需要5dB的输出功率。
短发射脉冲
当发射器打开时,低功率无线电处于其最大功率状态。因此,按时将其最小化是有意义的。这意味着减少传输的数据量。
为了减少接收时间,重点是传输的数据量和通信内容。如果系统需要一直开着,那么接收时间可以最小化,因为工程师已经知道系统是开着的,并且可以在任何时候发送。
无线电系统的更新
有两种方法可以更新无线电系统:手动,包括进入每个单元并进行更新,以及通过空中(OTA),无线电本身更新单元内的代码。OTA更新通常效率更高,但出现问题的可能性增加。因此,故障保险柜对于确保系统继续工作至关重要。
批量测试
使用电池供电的低功耗设备,您可以在组件性能的极限下运行。对于诸如FET之类的有源器件,您依赖低电压降,器件特性始终存在差异,这可能会影响性能。
批量测试是值得的,以确保任何变化都不会影响设备的运行。为了避免大规模生产过程中的麻烦,值得使用SPICE模拟器来模拟一些更简单的设计方面,例如温度和电压极限。
记住——用户体验和期望是至关重要的考虑因素。工程师可以设计一个非常低的功率系统,但不能满足最终用户,因为他们可能期望它的响应速度比实际要快得多。这就是平衡行为真正发生的地方,但是有了可用的技术和经验丰富的工程师,妥协是可能的。