时间见证高能效:采用蓝牙低功耗和专有无线协议,电池可以用10年

安森美半导体 2020-09-02

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对于许多小的、便携式物联网(IoT)应用,“圣杯”是无线联接使用的纽扣电池使用寿命达10年。


这并非易事,因为大多数便宜的纽扣电池提供的最大容量仅约240 mAh。





通过选择睡眠电流消耗低的无线电系统单芯片(SoC),短距离和长距离无线联接都可以达到10年。





为了使容量较低的纽扣电池如240 mAh获得10年的电池使用寿命,无线设备通常在大部分时间处于睡眠状态,只是偶尔被唤醒以进行无线传输,如下图1所示。




例如,相对于5秒的传输间隔(每小时120个无线传输)而言,7毫秒的唤醒时间产生的占空比为0.14%唤醒时间和99.86%休眠时间。




因此纽扣电池要实现10年电池使用寿命,低功耗的深度睡眠必不可少。


图1.睡眠和唤醒时间占空比


为了达到10年的电池使用寿命,蓝牙低功耗是短距离到中距离无线联接的首选,取决于发射(Tx)和接收(Rx)功率,通常为30至50米。


对于任何超过1000米的更长距离,Sub Gigahertz软件定义的无线电(SDR)是理想的选择。


蓝牙低功耗


广告



蓝牙低功耗使用40通道分区(相隔2 MHz)在2.4 GHz ISM频段运行。


三个RF通道(37、38和39)专用于广告功能,可发现附近可用的设备。通道0-36专用于数据。


广告通道(图2)分配在频谱的不同部分,以提供抗802.11 / Wi-Fi干扰的能力。


图2.蓝牙低功耗广告通道(来源Accton Marketing)


广告包



广告包的数据单元称为协议数据单元(PDU),具有一个两字节的标头,用于指定数据有效载荷的类型和长度,最多37个字节(广告地址为6个字节,数据为31个字节)。


图3.蓝牙低功耗广告包(来源Accton Marketing)


可联接的对比不可联接的



蓝牙低功耗广告包可以是可联接的(Connectable)或不可联接的(Non-connectable)。




图4描绘了功率分析仪捕获的RSL10系统级封装(RSL10 SIP)蓝牙低功耗模块可联接(左)和不联连接(右)的“3广告”事件,发送功率均为0 dbm。


虽然两个事件都使用通道37、38和39,并持续7毫秒,但Connectable事件包括每个通道的RX脉冲。


这是有道理的,因为Connectable事件也希望接收。所得的功率分析仪测量结果显示可联接的平均电流为711.624uA,不可联接的为504.307uA。


同时,对于蓝牙低功耗协议栈,RSL10 SIP的深度睡眠电流为160 nA(用于保留16 kbB RAM),并运行一个内部计时器以自唤醒。


图4.可联接的对比不可联接的广告包


RSL10 SIP电池使用寿命(5字节)



在上述条件下,







图5证实RSL10 SIP实际电池寿命将在10.97年(2.5秒广告间隔,可联接的)到27.26年(5秒广告间隔,不可联接的)之间。


这些计算基于使用240 mA CR2032纽扣电池和5字节数据传输(PDU)。


图5. RSL10 SIP实际电池使用寿命


理想的电池使用寿命对比实际的电池使用寿命



锂离子纽扣电池随附数据表,绘制给定负载的连续放电特性。


在图6中的CR2032电池示例中,该图捕获了恒定190 uA负载的放电曲线。


捕获的图5中RSL10 SIP平均电流范围为865nA至1.57uA,比190 uA曲线轻得多。


当我计算“理想VBAT”时,我用库仑计测量240 mAh ,从100%充满电量到0%电量为空,由标有“理想VBAT”的红色虚线表示。纽扣电池实际上永远不会表现出红色虚线。


知道“实际VBAT”放电曲线位于红色虚线和蓝色CR2032 190 uA放电曲线之间的某个位置,因此我已将“理想VBAT”降额15%,以得出绿色的“实际VBAT”放电曲线。


图6.连续放电特性


如果将数据大小从5字节增加到31字节,则下面的图7展示了RSL10 SIP电池的使用寿命。


图7. RSL10 SIP电池使用寿命(31字节)


专有RF协议



专有的Sub-GHz无线电旨在用于更长距离的无线传输。





凭借153 db(16 dbm Tx功率和-135 Rx灵敏度)的链路预算,AXM0F24窄带SoC可以传输37公里或23英里(915MHz,30db衰减余量)的距离。





对于1.1公里的距离,AXM0F243超过了所需的10年实际电池使用寿命。


图8.AXM0F243实际电池使用寿命


使用合适的无线电SoC用于短距离和长距离传输都完全有可能实现10年的电池使用寿命。


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