采用藍(lán)牙低功耗和SoC實(shí)現(xiàn)電池10年使用壽命

對(duì)于許多小的、便攜式物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用，“圣杯”是無(wú)線聯(lián)接使用的紐扣電池使用壽命達(dá)10年。這并非易事，因?yàn)榇蠖鄶?shù)便宜的紐扣電池提供的最大容量?jī)H約240 mAh。通過(guò)選擇睡眠電流消耗低的無(wú)線電系統(tǒng)單芯片（SoC），短距離和長(zhǎng)距離無(wú)線聯(lián)接都可以達(dá)到10年。

為了使容量較低的紐扣電池如240 mAh獲得10年的電池使用壽命，無(wú)線設(shè)備通常在大部分時(shí)間處于睡眠狀態(tài)，只是偶爾被喚醒以進(jìn)行無(wú)線傳輸，如下圖1所示。例如，相對(duì)于5秒的傳輸間隔（每小時(shí)120個(gè)無(wú)線傳輸）而言，7毫秒的喚醒時(shí)間產(chǎn)生的占空比為0.14％喚醒時(shí)間和99.86％休眠時(shí)間。因此紐扣電池要實(shí)現(xiàn)10年電池使用壽命，低功耗的深度睡眠必不可少。

圖1.睡眠和喚醒時(shí)間占空比

為了達(dá)到10年的電池使用壽命，藍(lán)牙低功耗是短距離到中距離無(wú)線聯(lián)接的首選，取決于發(fā)射（Tx）和接收（Rx）功率，通常為30至50米。對(duì)于任何超過(guò)1000米的更長(zhǎng)距離，Sub Gigahertz軟件定義的無(wú)線電（SDR）是理想的選擇。

藍(lán)牙低功耗

廣告

藍(lán)牙低功耗使用40通道分區(qū)（相隔2 MHz）在2.4 GHz ISM頻段運(yùn)行。三個(gè)RF通道（37、38和39）專用于廣告功能，可發(fā)現(xiàn)附近可用的設(shè)備。通道0-36專用于數(shù)據(jù)。廣告通道（圖2）分配在頻譜的不同部分，以提供抗802.11 / Wi-Fi干擾的能力。

圖2.藍(lán)牙低功耗廣告通道

廣告包

廣告包的數(shù)據(jù)單元稱為協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU），具有一個(gè)兩字節(jié)的標(biāo)頭，用于指定數(shù)據(jù)有效載荷的類型和長(zhǎng)度，最多37個(gè)字節(jié)（廣告地址為6個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)為31個(gè)字節(jié)）。

圖3.藍(lán)牙低功耗廣告包

可聯(lián)接的對(duì)比不可聯(lián)接的

藍(lán)牙低功耗廣告包可以是可聯(lián)接的（Connectable）或不可聯(lián)接的（Non-connectable）。圖4描繪了功率分析儀捕獲的RSL10系統(tǒng)級(jí)封裝（RSL10 SIP）藍(lán)牙低功耗模塊可聯(lián)接（左）和不聯(lián)連接（右）的“ 3廣告”事件，發(fā)送功率均為0 dbm。雖然兩個(gè)事件都使用通道37、38和39，并持續(xù)7毫秒，但Connectable事件包括每個(gè)通道的RX脈沖。這是有道理的，因?yàn)镃onnectable事件也希望接收。所得的功率分析儀測(cè)量結(jié)果顯示可聯(lián)接的平均電流為711.624uA，不可聯(lián)接的為504.307uA。同時(shí)，對(duì)于藍(lán)牙低功耗協(xié)議棧，RSL10 SIP的深度睡眠電流為160 nA（用于保留16 kbB RAM），并運(yùn)行一個(gè)內(nèi)部計(jì)時(shí)器以自喚醒。

圖4.可聯(lián)接的對(duì)比不可聯(lián)接的廣告包

RSL10 SIP電池使用壽命（5字節(jié)）

在上述條件下，圖5證實(shí)RSL10 SIP實(shí)際電池壽命將在10.97年（2.5秒廣告間隔，可聯(lián)接的）到27.26年（5秒廣告間隔，不可聯(lián)接的）之間。這些計(jì)算基于使用240 mA CR2032紐扣電池和5字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸（PDU）。

圖5. RSL10 SIP實(shí)際電池使用壽命

理想的電池使用壽命對(duì)比實(shí)際的電池使用壽命

鋰離子紐扣電池隨附數(shù)據(jù)表，繪制給定負(fù)載的連續(xù)放電特性。在圖6中的CR2032電池示例中，該圖捕獲了恒定190 uA負(fù)載的放電曲線。捕獲的圖5中RSL10 SIP平均電流范圍為865nA至1.57uA，比190 uA曲線輕得多。

當(dāng)我計(jì)算“理想VBAT”時(shí)，我用庫(kù)侖計(jì)測(cè)量240 mAh ，從100％充滿電量到0％電量為空，由標(biāo)有“理想VBAT”的紅色虛線表示。紐扣電池實(shí)際上永遠(yuǎn)不會(huì)表現(xiàn)出紅色虛線。知道“實(shí)際VBAT”放電曲線位于紅色虛線和藍(lán)色CR2032 190 uA放電曲線之間的某個(gè)位置，因此我已將“理想VBAT”降額15％，以得出綠色的“實(shí)際VBAT”放電曲線。

圖6.連續(xù)放電特性

如果將數(shù)據(jù)大小從5字節(jié)增加到31字節(jié)，則下面的圖7展示了RSL10 SIP電池的使用壽命。

圖7. RSL10 SIP電池使用壽命（31字節(jié)）

專有RF協(xié)議

專有的Sub-GHz無(wú)線電旨在用于更長(zhǎng)距離的無(wú)線傳輸。憑借153 db（16 dbm Tx功率和-135 Rx靈敏度）的鏈路預(yù)算，AXM0F24窄帶SoC可以傳輸37公里或23英里（915MHz，30db衰減余量）的距離。對(duì)于1.1公里的距離，AXM0F243超過(guò)了所需的10年實(shí)際電池使用壽命。

圖8.AXM0F243實(shí)際電池使用壽命

使用合適的無(wú)線電SoC用于短距離和長(zhǎng)距離傳輸都完全有可能實(shí)現(xiàn)10年的電池使用壽命。

審核編輯：郭婷