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

星星科技指導(dǎo)員 ? 來源:安森美半導(dǎo)體 ? 作者:Bob Card ? 2022-05-07 15:58 ? 次閱讀

對(duì)于許多小的、便攜式物聯(lián)網(wǎng)IoT)應(yīng)用,“圣杯”是無線聯(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。通過選擇睡眠電流消耗低的無線電系統(tǒng)單芯片(SoC),短距離和長(zhǎng)距離無線聯(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。

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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1000米的更長(zhǎng)距離,Sub Gigahertz軟件定義的無線電(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。

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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))。

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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)。

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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。

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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無線電旨在用于更長(zhǎng)距離的無線傳輸。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超過了所需的10年實(shí)際電池使用壽命。

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圖8.AXM0F243實(shí)際電池使用壽命

使用合適的無線電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

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