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低功耗无线系统的11个省电技巧

时间:2018-09-03 作者:Paul Matthews 阅读:
备受青睐的物联网(IoT)包含大量连接到互联网的低功率无线设备。这些设备需要精心设计,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11个因素。。。

备受青睐的物联网(IoT)包含大量连接到互联网的低功耗无线设备。这些设备需要精心设计,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、通信范围和运营成本。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)或蜂窝解决方案。

第二:波长

一些无线波长比其它波长传播得更好,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米,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米甚至几千米,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,另一些则在运行时也保持低功耗。设备待机的频次决定了哪一个才是关键参数。如果设备通常都处于待机状态,就要考虑深度睡眠的功耗。如果设备总是处于唤醒状态,例如监听网络,那么关键参数就变成了工作功耗。

第四:电源

电源是电池供电设备的关键考虑因素。一旦你为产品选定了合适的供电方式,比如是用户可更换的电池(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。低功率无线电设备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:上拉及其它设计技巧

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。这些需要进行优化才能最大限度地延长电池寿命。例如,可通过添加有源器件(如FET)来打开和关闭器件和上拉电阻。

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的高功率器件的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:功率测量

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。要进行功率测量,最好使用带数学函数的示波器,或高频万用表。作为替代方案,用瓦时计可测量长时间内的功率累加之和。

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设备的能效。

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米,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:批量测试

使用电池供电的低功耗设备,可以在接近器件性能极限的情况下工作。例如,对于FET和其它依赖于低压降的有源器件,设备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量测试是值得的,以确保任何变化都不会影响最终系统的运行。

使用SPICE仿真器来模拟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,这样在大批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,低功率无线电设备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zip格式压缩较大的文件来减少数据量。

在开发智能家居产品、远程监控设备或许多其它物联网解决方案时,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。

亲爱的EDN读者,在您设计下一个低功耗产品时,希望这些技巧会有所帮助。同时,如果欢迎您与我们分享你的设计心得与体会。

(原文刊登于ASPENCORE旗下EEWeb网站,参考链接:Top 11 Tips for Saving Power in Low-Power Wireless Radio Systems,由Jenny Liao编译。)

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