淺析降低無線系統(tǒng)功耗的11個因素

備受青睞的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）包含大量連接到互聯(lián)網(wǎng)的低功率無線設備。這些設備需要精心設計，以延長其電池壽命，減少對環(huán)境的影響，并最大限度地提高制造商利潤。

要降低無線系統(tǒng)的功耗，我們需要考慮如下11個因素：

第一：系統(tǒng)選擇

使用的無線類型取決于幾個因素，其中主要是數(shù)據(jù)速率、通信范圍和運營成本。選擇范圍非常廣泛，從短距離ZigBee、線程、藍牙和Wi-Fi，到遠程低功率無線（如LoRa和SigFox）或蜂窩解決方案。

第二：波長

一些無線波長比其它波長傳播得更好，而且傳播可能與提高的功率效率相關。通常，低頻率無線電波比高頻率傳播得更好，但缺點是數(shù)據(jù)速率可能較低。例如，2.4/5GHz頻段的傳輸距離為幾十米，但每秒可傳輸數(shù)百kb的數(shù)據(jù)。而低于GHz頻段的傳輸距離可以達到幾百米甚至幾千米，但傳輸速度可能只有每秒幾個kb。無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡通過在節(jié)點之間轉換數(shù)據(jù)來擴展傳輸距離。

第三：微控制器的待機功耗

很多微控制器都聲稱自己是低功耗的。但是，一些僅在待機狀態(tài)下低功耗，另一些則在運行時也保持低功耗。設備待機的頻次決定了哪一個才是關鍵參數(shù)。如果設備通常都處于待機狀態(tài)，就要考慮深度睡眠的功耗。如果設備總是處于喚醒狀態(tài)，例如收聽網(wǎng)絡，那么關鍵參數(shù)就變成了工作功耗。

第四：電源

電源是電池供電設備的關鍵考慮因素。一旦你為產(chǎn)品選定了合適的供電方式，比如是用戶可更換的電池（AA，AAA等）還是可充電電池（如鋰離子聚合物電池Li-Po），就可以進行相應的優(yōu)化。環(huán)境溫度（特別冷或特別熱）對電池使用壽命有很大影響，就像電池放電曲線一樣。低功率無線電設備在睡眠時一般功耗非常少，在喚醒時會使用大量電流進行接收和發(fā)射，某些類型的電池可能無法很好地處理這種情況。

第五：上拉及其它設計技巧

低功耗無線系統(tǒng)設計需要注意無線電路之外的一些細節(jié)，例如上拉電阻。這些需要進行優(yōu)化才能最大限度地延長電池壽命。例如，可通過添加有源器件（如FET）來打開和關閉器件和上拉電阻。

如果您決定在設計中使用FET，請用心選擇。即使只消耗了幾毫安，你也會發(fā)現(xiàn)額定功率為幾安的高功率器件的Vf（正向電壓）較低，這意味著FET導通時浪費的電能更少。

第六：電子表格

使用電子表格便于確定應該做出哪些折衷來獲得可行的設計。

電子表格可用于查看傳輸或接收時序的平衡如何影響電池壽命，以及傳輸應持續(xù)多長時間，以便確定穩(wěn)壓器在電壓范圍和電流要求方面的效率。

第七：功率測量

標準萬用表的采樣率比較低，容易錯過與傳輸相關的短RF突發(fā)。要進行功率測量，最好使用帶數(shù)學函數(shù)的示波器，或高頻萬用表。作為替代方案，用瓦時計可測量長時間內的功率累加之和。

第八：天線調諧

如果傳輸范圍很重要，請務必調整天線。這樣可以在不增加系統(tǒng)功率預算的情況下最大化設備的能效。

第九：TX功率

不要在不必要的情況下提高輸出功率。例如，如果你的無線傳輸距離只需10米，就不需要5dB的輸出功率，否則只會浪費電能，并縮短電池使用壽命。

第十：批量測試

使用電池供電的低功耗設備，可以在接近器件性能極限的情況下工作。例如，對于FET和其它依賴于低壓降的有源器件，設備之間總會出現(xiàn)可能影響性能的特征變化。這意味著使用批處理方式進行批量測試是值得的，以確保任何變化都不會影響最終系統(tǒng)的運行。

使用SPICE仿真器來模擬設計的一些簡單部分，比如在極端溫度和高壓范圍內進行測試，這樣在大批量生產(chǎn)時就可以避免很多問題。

第十一：發(fā)射器脈沖

當發(fā)射器開啟時，低功率無線電設備會處于最大功率狀態(tài)。盡可能減少必須傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，使 “開啟”時間最短，比如可以使用二進制或zip格式壓縮較大的文件來減少數(shù)據(jù)量。

在開發(fā)智能家居產(chǎn)品、遠程監(jiān)控設備或許多其它物聯(lián)網(wǎng)解決方案時，我們的嵌入式設計顧問在設計低功耗系統(tǒng)時始終會考慮以上11個注意事項。