低功耗無線電系統(tǒng)節(jié)能的 11 個重要技巧
出處：維庫電子市場網(wǎng) 發(fā)布于：2023-08-16 15:42:18
物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 是“本月流行趨勢”，包含大量連接到互聯(lián)網(wǎng)的低功耗無線電設(shè)備。這些設(shè)備需要精心設(shè)計，以延長電池壽命、減少對環(huán)境的影響并限度地提高制造商利潤。
降低無線電系統(tǒng)功耗時我們主要考慮的 11 個因素如下：
系統(tǒng)選擇
使用的無線電類型取決于幾個因素——主要是數(shù)據(jù)速率、通信范圍和運(yùn)營成本。選項(xiàng)范圍相當(dāng)廣泛，從短程 ZigBee、Thread、藍(lán)牙和 Wi-Fi 到遠(yuǎn)程低功耗無線電（如 LoRa 和 SigFox）或蜂窩解決方案。
波長
某些無線電波長的傳播效果比其他波長好得多，并且這種傳播可能與功率效率的提高有關(guān)。通常，較低的頻率比較較高的頻率傳播得更好，但妥協(xié)的是可能的數(shù)據(jù)速率較低。例如，2.4-/5-GHz頻段的測量距離為數(shù)十米，但每秒可以傳輸數(shù)百千比特的數(shù)據(jù)，而sub-GHz頻段的測量距離為數(shù)百米，甚至公里，但只能傳輸每秒幾千比特的數(shù)據(jù)。無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通過在節(jié)點(diǎn)之間跳躍數(shù)據(jù)來延長傳輸距離。
微控制器睡眠電源
有大量的微控制器聲稱是低功耗的。然而，有些僅具有非常低功耗的睡眠狀態(tài)，而另一些則在運(yùn)行時也處于低功耗狀態(tài)。設(shè)備睡眠的頻率會影響關(guān)鍵參數(shù)。如果您的設(shè)備通常處于睡眠狀態(tài)，請查看深度睡眠功耗；然而，如果它始終處于喚醒狀態(tài)（例如，監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)），那么運(yùn)行功耗就是關(guān)鍵。
電源
功率是受限設(shè)備的一個關(guān)鍵考慮因素。一旦您確定用戶可更換電池（AA、AAA 等）或可充電電池（例如 Li-Po）是否適合該產(chǎn)品，就需要進(jìn)行大量優(yōu)化。環(huán)境因素（嚴(yán)寒或酷熱）會對壽命產(chǎn)生很大影響，電池放電曲線也是如此。低功率無線電往往在睡眠時使用很少的功率，然后在清醒時使用大電流脈沖進(jìn)行接收和傳輸——某些類型的電池可能無法很好地處理這種使用模式。
引體向上和其他設(shè)計技巧
低功耗無線電系統(tǒng)設(shè)計需要注意無線電電路之外的細(xì)節(jié)，例如上拉電阻。這些需要進(jìn)行優(yōu)化，以限度地延長電池壽命；例如，通過添加 FET 等有源組件來打開和關(guān)閉器件和上拉電阻。
如果您決定在設(shè)計中使用 FET，請仔細(xì)選擇。即使您可能只消耗幾毫安的電流，您也會發(fā)現(xiàn)額定電流為幾安培的較高功率設(shè)備將具有較低的 Vf（正向電壓），這意味著 FET 開啟時浪費(fèi)的功率更少。
電子表格
使用電子表格對于確定應(yīng)該做出哪些妥協(xié)以使設(shè)計可行非常有用。
電子表格可用于了解傳輸或接收時序的妥協(xié)如何影響電池壽命以及傳輸應(yīng)持續(xù)多長時間，并確定穩(wěn)壓器在電壓范圍和電流要求方面的效率。
功率測量
標(biāo)準(zhǔn)萬用表的采樣率較低，會錯過與傳輸相關(guān)的短射頻脈沖。使用具有數(shù)學(xué)功能的示波器或高頻萬用表進(jìn)行功率測量?；蛘?，使用電度表對長時間內(nèi)的功率進(jìn)行求和。
天線調(diào)諧
如果范圍很重要，請記住調(diào)整天線。這可以限度地提高您所擁有的資源，而無需增加系統(tǒng)的功率預(yù)算。
發(fā)射功率
不要不必要地提高輸出功率超出您的需要。例如，如果您的無線電鏈路必須跨越 10 米，則不太可能需要 5 dB 輸出功率，而且只會浪費(fèi)電力，從而縮短電池壽命。
批量測試
使用電池供電的低功耗設(shè)備，您可以在接近組件性能極限的情況下運(yùn)行。例如，對于 FET 和其他依賴于低電壓降的有源器件，器件之間的特性始終存在差異，從而可能影響性能。這意味著值得對大批量進(jìn)行批量測試，以確保任何變化都不會影響終系統(tǒng)的運(yùn)行。
使用 SPICE 模擬器對設(shè)計的一些更簡單的方面進(jìn)行模擬（在極端溫度和電壓下運(yùn)行測試）同樣可以減輕批量生產(chǎn)中的痛苦。
發(fā)射器脈沖
當(dāng)發(fā)射器打開時，低功率無線電處于功率狀態(tài)。通過限度地減少必須傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量（可以使用二進(jìn)制文件或使用 .zip 格式壓縮較大的文件）來限度地減少“開啟”時間是有意義的。
在開發(fā)智能家居產(chǎn)品、遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備或一整套其他 IoT 解決方案時，當(dāng)需要低功耗時，我們的嵌入式設(shè)計顧問始終會考慮上述 11 個注意事項(xiàng)。
降低無線電系統(tǒng)功耗時我們主要考慮的 11 個因素如下：
系統(tǒng)選擇
使用的無線電類型取決于幾個因素——主要是數(shù)據(jù)速率、通信范圍和運(yùn)營成本。選項(xiàng)范圍相當(dāng)廣泛，從短程 ZigBee、Thread、藍(lán)牙和 Wi-Fi 到遠(yuǎn)程低功耗無線電（如 LoRa 和 SigFox）或蜂窩解決方案。
波長
某些無線電波長的傳播效果比其他波長好得多，并且這種傳播可能與功率效率的提高有關(guān)。通常，較低的頻率比較較高的頻率傳播得更好，但妥協(xié)的是可能的數(shù)據(jù)速率較低。例如，2.4-/5-GHz頻段的測量距離為數(shù)十米，但每秒可以傳輸數(shù)百千比特的數(shù)據(jù)，而sub-GHz頻段的測量距離為數(shù)百米，甚至公里，但只能傳輸每秒幾千比特的數(shù)據(jù)。無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通過在節(jié)點(diǎn)之間跳躍數(shù)據(jù)來延長傳輸距離。
微控制器睡眠電源
有大量的微控制器聲稱是低功耗的。然而，有些僅具有非常低功耗的睡眠狀態(tài)，而另一些則在運(yùn)行時也處于低功耗狀態(tài)。設(shè)備睡眠的頻率會影響關(guān)鍵參數(shù)。如果您的設(shè)備通常處于睡眠狀態(tài)，請查看深度睡眠功耗；然而，如果它始終處于喚醒狀態(tài)（例如，監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)），那么運(yùn)行功耗就是關(guān)鍵。
電源
功率是受限設(shè)備的一個關(guān)鍵考慮因素。一旦您確定用戶可更換電池（AA、AAA 等）或可充電電池（例如 Li-Po）是否適合該產(chǎn)品，就需要進(jìn)行大量優(yōu)化。環(huán)境因素（嚴(yán)寒或酷熱）會對壽命產(chǎn)生很大影響，電池放電曲線也是如此。低功率無線電往往在睡眠時使用很少的功率，然后在清醒時使用大電流脈沖進(jìn)行接收和傳輸——某些類型的電池可能無法很好地處理這種使用模式。
引體向上和其他設(shè)計技巧
低功耗無線電系統(tǒng)設(shè)計需要注意無線電電路之外的細(xì)節(jié)，例如上拉電阻。這些需要進(jìn)行優(yōu)化，以限度地延長電池壽命；例如，通過添加 FET 等有源組件來打開和關(guān)閉器件和上拉電阻。
如果您決定在設(shè)計中使用 FET，請仔細(xì)選擇。即使您可能只消耗幾毫安的電流，您也會發(fā)現(xiàn)額定電流為幾安培的較高功率設(shè)備將具有較低的 Vf（正向電壓），這意味著 FET 開啟時浪費(fèi)的功率更少。
電子表格
使用電子表格對于確定應(yīng)該做出哪些妥協(xié)以使設(shè)計可行非常有用。
電子表格可用于了解傳輸或接收時序的妥協(xié)如何影響電池壽命以及傳輸應(yīng)持續(xù)多長時間，并確定穩(wěn)壓器在電壓范圍和電流要求方面的效率。
功率測量
標(biāo)準(zhǔn)萬用表的采樣率較低，會錯過與傳輸相關(guān)的短射頻脈沖。使用具有數(shù)學(xué)功能的示波器或高頻萬用表進(jìn)行功率測量?；蛘?，使用電度表對長時間內(nèi)的功率進(jìn)行求和。
天線調(diào)諧
如果范圍很重要，請記住調(diào)整天線。這可以限度地提高您所擁有的資源，而無需增加系統(tǒng)的功率預(yù)算。
發(fā)射功率
不要不必要地提高輸出功率超出您的需要。例如，如果您的無線電鏈路必須跨越 10 米，則不太可能需要 5 dB 輸出功率，而且只會浪費(fèi)電力，從而縮短電池壽命。
批量測試
使用電池供電的低功耗設(shè)備，您可以在接近組件性能極限的情況下運(yùn)行。例如，對于 FET 和其他依賴于低電壓降的有源器件，器件之間的特性始終存在差異，從而可能影響性能。這意味著值得對大批量進(jìn)行批量測試，以確保任何變化都不會影響終系統(tǒng)的運(yùn)行。
使用 SPICE 模擬器對設(shè)計的一些更簡單的方面進(jìn)行模擬（在極端溫度和電壓下運(yùn)行測試）同樣可以減輕批量生產(chǎn)中的痛苦。
發(fā)射器脈沖
當(dāng)發(fā)射器打開時，低功率無線電處于功率狀態(tài)。通過限度地減少必須傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量（可以使用二進(jìn)制文件或使用 .zip 格式壓縮較大的文件）來限度地減少“開啟”時間是有意義的。
在開發(fā)智能家居產(chǎn)品、遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備或一整套其他 IoT 解決方案時，當(dāng)需要低功耗時，我們的嵌入式設(shè)計顧問始終會考慮上述 11 個注意事項(xiàng)。
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