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为低功率无线装置省电的11个技巧

字号+ 作者:Paul Matthews 来源:edntaiwan 2018-09-05 09:25

低功率无线连网装置需要精心设计,以延长其电池寿命、符合环保要求与提高利润...


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低功率无线连网装置需要精心设计,以延长其电池寿命、符合环保要求与提高利润...
 
备受青睐的物联网(IoT)包含大量连结至因特网的低功率无线装置。这些装置需要精心设计,以延长其电池寿命,减少对环境的影响,并最大限度地提高制造商利润。
 
要降低无线系统的功耗,我们需要考虑如下11个因素:
 
第一:系统选择

使用的无线类型取决于几个因素,其中主要是数据速率、通讯范围和营运成本。选择范围非常广泛,从短距离ZigBee、线程、蓝牙和Wi-Fi,到远程低功率无线(如LoRa和SigFox)或蜂巢式解决方案。
 
第二:波长

一些无线波长比其他波长传播得更好,而且传播可能与提高的功率效率相关。通常,低频率无线电波比高频率传播得更好,但缺点是数据速率可能较低。例如,2.4/5GHz频段的传输距离为几十公尺,但每秒可传输数百kb的数据。而低于GHz频段的传输距离可以达到几百公尺甚至几千公尺,但传输速度可能只有每秒几个kb。无线网状网络通过在节点之间转换数据来扩展传输距离。
 
第三:微控制器的待机功耗
 
很多微控制器都声称自己是低功耗的,但是一些仅在待机状态下低功耗,另一些则在运作时也保持低功耗。装置待机的频率决定了哪一个才是关键参数,如果装置通常都处于待机状态,就要考虑深度睡眠的功耗;如果装置总是处于唤醒状态,例如收听网络,那么关键参数就变成了工作功耗。
 
第四:电源
 
电源是电池供电装置的关键考虑因素。一旦你为产品选定了合适的供电方式,比如是使用者可更换的电池(AA、AAA等)还是可充电电池(如锂离子聚合物电池Li-Po),就可以进行相对应的优化。环境温度(特别冷或特别热)对电池使用寿命有很大影响,就像电池放电曲线一样。低功率无线电装置在睡眠时一般功耗非常少,在唤醒时会使用大量电流进行接收和发射,某些类型的电池可能无法很好地处理这种情况。
 
第五:上拉及其他设计技巧
 
低功耗无线系统设计需要注意无线电路之外的一些细节,例如上拉电阻(pull-up resistor)。这些需要进行优化才能最大限度地延长电池寿命。例如可透过添加主动组件(如FET)来打开和关闭组件和上拉电阻。
 
如果您决定在设计中使用FET,请用心选择。即使只消耗了几毫安,你也会发现额定功率为几安培的高功率组件之Vf (正向电压)较低,这意味着FET导通时浪费的电能更少。
 
第六:电子表格
 
使用电子表格(spreadsheet)便于确定应该做出哪些折衷来获得可行的设计。
 
电子表格可用于查看传输或接收时序的平衡如何影响电池寿命,以及传输应持续多长时间,以便确定稳压器在电压范围和电流要求方面的效率。
 
第七:功率量测
 
标准万用表的采样率比较低,容易错过与传输相关的短RF突发(RF bursts)。要进行功率量测,最好使用具备数学函数的示波器或高频万用表,或者是采用瓦时计(watt-hour meter)可测量长时间内的功率累计。
 
第八:天线调谐
 
如果传输范围很重要,请务必调整天线。这样可以在不增加系统功率预算的情况下最大化装置的能效。
 
第九:TX功率
 
不要在不必要的情况下提高输出功率。例如,如果你的无线传输距离只需10公尺,就不需要5dB的输出功率,否则只会浪费电能,并缩短电池使用寿命。
 
第十:批次测试
 
使用电池供电的低功耗装置,可以在接近组件性能极限的情况下运作;例如对于FET和其他依赖于低压降的主动组件,装置之间总会出现可能影响性能的特征变化。这意味着使用批处理方式进行批次测试(batch testing)是值得的,以确保任何变化都不会影响终端系统运作。
 
使用SPICE仿真器来仿真设计的一些简单部分,比如在极端温度和高压范围内进行测试,这样在大量生产时就可以避免很多问题。
 
第十一:发射器脉冲
 

当发射器开启时,低功率无线电装置会处于最大功率状态。尽可能减少必须传输的数据量,使开启时间最短,比如可以使用二进制或以.zip格式压缩较大的档案来减少数据量。
 
在开发智能家居产品、远程监控装置或许多其他物联网解决方案时,我们的嵌入式设计顾问在设计低功耗系统时始终会考虑以上11个注意事项。
 
编译:Jenny Liao, EDN China
 
(原文刊登于EDN姊妹刊,ASPENCORE旗下EEWeb网站:Top 11 Tips for Saving Power in Low-Power Wireless Radio Systems ,by Paul Matthews;本文作者为具备40年资历的软硬件设计工程师)










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