Não se pode tratar a comunicação por radiofrequência (RF) e a otimização de energia como problemas separados. O projeto em nível de placa os interliga, e essa ligação determina a duração da bateria de todos os produtos sem fio. Este guia destina-se a engenheiros de hardware e equipes de desenvolvimento de produtos eletrônicos que criam dispositivos de RF alimentados por bateria. Como as escolhas de front-end de RF e as técnicas de gerenciamento de energia interagem para definir a autonomia real? Você verá o orçamento de enlace, a sensibilidade do receptor, os fatores de potência em nível de placa, o ajuste do Bluetooth Low Energy (BLE) e as compensações de projeto para manufatura (DFM). Considere um nó sensor BLE. Seu rádio consome a maior parte da corrente. Um agendamento cuidadoso do Bluetooth LE e os modos de hibernação prolongam sua vida útil. Essas escolhas garantem uma longa duração da bateria sem a necessidade de pilhas adicionais.
Principais lições
Um orçamento de enlace maior permite usar menos potência de transmissão e ainda assim alcançar o receptor.
Ajuste a sensibilidade do receptor à sua margem de conexão real para não desperdiçar energia da bateria.
Mantenha um plano de aterramento robusto e coloque capacitores de desacoplamento próximos aos chips de RF para reduzir a perda de energia.
Escolha o intervalo de conexão BLE mais longo que ainda funcione para você, para economizar o máximo de energia.
Utilize a captação de energia de radiofrequência com transmissões em rajadas para reduzir ou eliminar a necessidade de troca de baterias.
Noções básicas de comunicação por radiofrequência para projetos alimentados por bateria
Orçamento de enlace e perda de percurso
O orçamento de enlace mostra quanta perda de sinal seu enlace de comunicação de radiofrequência pode suportar. Um orçamento maior significa que você pode transmitir com potência menor e ainda alcançar o receptor. Considere o nRF52840 a +8 dBm e 1 Mbps. Ele oferece um orçamento de enlace de 89 dB e um alcance teórico de cerca de 280 m. Reduzindo para 0 dBm, o orçamento cai para 81 dB, com um alcance de aproximadamente 110 m. O Coded PHY eleva o orçamento para 96 dB e estende o alcance para cerca de 630 m.
Em ambientes internos, esses números pioram consideravelmente. Adicione de 20 a 30 dB de perda de percurso em comparação com as estimativas em espaço livre. O valor de 280 m em ambientes externos cai para cerca de 30 a 50 m em ambientes internos com algumas paredes. A presença de uma pessoa no percurso adiciona de 3 a 6 dB. Paredes de gesso adicionam de 3 a 5 dB por parede, e paredes de concreto ou tijolo adicionam de 10 a 20 dB. Uma caixa de plástico custa de 1 a 3 dB. Você pode compensar essas perdas com o ajuste dinâmico da potência de transmissão. Aumente a potência somente quando o enlace precisar e mantenha o consumo médio de energia baixo.
Sensibilidade do receptor e consumo de corrente
A sensibilidade do receptor e o consumo de corrente são fatores que se contrapõem. Um receptor mais sensível capta sinais mais fracos, permitindo que o transmissor economize energia. Essa sensibilidade, porém, geralmente resulta em maior consumo de corrente na cadeia de recepção. É preciso ponderar ambos os lados em relação ao consumo total de energia.
Um consumo de corrente mais elevado no receptor aumenta o consumo médio de energia ao longo do ciclo de trabalho. Para baixo consumo de energia, ajuste a sensibilidade à margem real do enlace. Uma margem de enlace restrita deixa pouca margem para um receptor com baixa sensibilidade. Uma margem ampla permite aceitar menor sensibilidade e menor consumo de corrente. Esse equilíbrio favorece a comunicação sem fio de baixo consumo e prolonga a vida útil da bateria. Cada miliampère removido do caminho de recepção melhora a vida útil do produto.
Consumo de energia em nível de placa em front-ends de RF
Em dispositivos alimentados por bateria, os módulos de RF geralmente consomem a maior parte da energia. A comunicação por RF exige um fornecimento de energia limpo. As escolhas feitas na placa determinam quanta energia chega à antena e quanta se transforma em calor. É possível medir o consumo de energia no ponto de alimentação e compará-lo com a potência irradiada. Essa diferença mostra onde a otimização de energia compensa.
Disposição, aterramento e blindagem
Um plano de aterramento de cobre sólido e contínuo funciona melhor do que uma grade para placas de RF. Grades podem aumentar a indutância em uma ordem de magnitude em altas frequências. Aplique o aterramento em todas as camadas que não são de sinal e interligue-o densamente com vias passantes. A corrente de retorno de RF segue o caminho de menor indutância logo abaixo da trilha de sinal. Uma divisão sob essa trilha aumenta a área do loop e causa radiação, diafonia e perda, o que aumenta o consumo de corrente. Um módulo mmWave 5G apresentou perda de inserção de 10 dB devido a aterramentos divididos. Um redesenho com planos internos contíguos e interligação de vias λ/20 restaurou uma resposta plana até 28 GHz.
Ao longo das curvas, coloque vias de aterramento a cada quarto de comprimento de onda. Mantenha a relação de aspecto das vias próxima de 0.8 a 1.2 para PCBs de RF. Relações maiores aumentam a indutância e prejudicam o desempenho do sinal. Essas práticas reduzem o consumo de corrente no caminho de transmissão, diminuem o consumo de energia e protegem a vida útil da bateria. Elas prolongam a vida útil do produto em campo.
Posicionamento e desacoplamento de conversores CC-CC
Ruídos na linha de alimentação desperdiçam energia, aumentam o consumo de corrente e elevam a potência de saída. Coloque um pequeno capacitor cerâmico próximo a cada pino de alimentação de um CI de RF. Adicione um capacitor de valor intermediário e, para amplificadores de potência, capacitância de grande porte na mesma camada. Atribua a cada capacitor seu próprio furo de aterramento dedicado. Furos compartilhados comprometem o caminho de desacoplamento de baixa impedância. Adicione filtros LC e amortecimento aos conversores buck. Isso evita picos em harmônicos de chaveamento que se enquadram nas bandas de RF. Coloque reguladores LDO após os conversores buck para criar linhas de alimentação de baixo ruído para PLLs, osciladores locais e amplificadores de baixo ruído. Mantenha os nós de chaveamento afastados de antenas e cabos de alimentação.
Essas medidas reduzem o consumo médio de energia e o consumo de corrente ao longo do ciclo de trabalho. Elas também minimizam o consumo de energia durante os estados ociosos. Assim, você pode medir o consumo de energia por trilha e confirmar o ganho. Um bom desacoplamento contribui para baixo consumo de energia e maior vida útil.
Consumo de energia do Bluetooth LE e eficiência energética do BLE
O consumo de energia do Bluetooth LE depende da frequência com que o rádio é ativado e do tempo que permanece ligado. Você controla ambos os fatores com as configurações de Bluetooth de baixo consumo de energia . Ao ajustá-las corretamente, os dispositivos BLE obtêm maior duração da bateria sem a necessidade de alterações de hardware.
Intervalos de conexão e parâmetros de publicidade
O intervalo de conexão define a frequência com que o dispositivo central e o periférico trocam dados. Você pode escolher um valor de 7.5 ms a 4 s, em incrementos de 1.25 ms. Um intervalo curto significa menor latência e maior taxa de transferência, mas também consome mais energia. Um intervalo longo economiza energia, mas aumenta a latência. A latência periférica permite que o periférico ignore eventos de conexão quando não tiver dados para enviar. O tempo limite de supervisão, de 100 ms a 32 s em incrementos de 10 ms, define o tempo máximo que o link pode ficar sem receber pacotes antes de ser interrompido.
Intervalo de conexão | Latência periférica | Corrente média (TX a 0 dBm) |
|---|---|---|
30 ms | 0 | ~228 µA |
75 ms | 0 | ~230 µA |
75 ms | 5 | ~140 µA (economia de ≈40%) |
875–950 ms | 0 | ~25 µA |
Os dados mostram claramente a vantagem. Aumentar o intervalo de 30 ms para cerca de 950 ms reduz a corrente média de ~228 µA para ~25 µA . Adicionar uma latência periférica de 5 ms com um intervalo de 75 ms reduz a corrente de ~230 µA para ~140 µA. Um intervalo de conexão adaptativo permite alternar entre essas configurações conforme o tráfego muda.
Selecione o intervalo de conexão mais longo que ainda atenda às necessidades de latência e taxa de transferência do seu aplicativo, para que o consumo de energia permaneça o mais baixo possível.
O intervalo de publicidade é tão importante antes quanto durante o estabelecimento da conexão. Um intervalo de publicidade mais longo reduz o consumo de energia do Bluetooth LE durante a descoberta. Rajadas curtas de publicidade consomem cerca de 3 mA a 10 mA , enquanto uma conexão ativa consome em média de 5 mA a 30 mA ao longo do tempo. O modo de repouso (suspensão) consome entre 1 µA e 10 µA. Esses estados definem o nível mais baixo de consumo de energia do Bluetooth de baixa energia no seu produto.
Modos de suspensão e ciclo de trabalho
O agendamento do modo de hibernação é onde você ganha em eficiência energética com BLE . Quando configurado corretamente, o protocolo Bluetooth da Silicon Labs coloca o dispositivo em modo de hibernação profunda e o ativa somente para janelas de comunicação ou tarefas pendentes. Modos de hibernação mais profundos economizam mais energia do que os mais leves, portanto, escolha o modo mais profundo que ainda atenda às suas necessidades de ativação.
Reduzir o tempo de atividade da radiofrequência é a medida mais direta que você tem. Menos transmissões significam menor consumo de corrente durante o ciclo de trabalho. Manter o tempo de atividade da radiofrequência curto, através do ciclo de trabalho, torna o tempo de atividade da RF breve e previsível. Assim, você pode minimizar o consumo de energia em estados ociosos e manter o consumo baixo durante longos períodos de espera. Otimizar o consumo de energia do Bluetooth Low Energy dessa forma protege a vida útil da bateria e prolonga a vida útil do produto em campo. Uma boa eficiência energética do BLE vem do agendamento, não de uma célula maior.
Design da placa para otimizar a vida útil da bateria
Restrições de empilhamento, térmicas e de fabricação para manufatura (DFM)
As camadas escolhidas e os materiais utilizados afetam a quantidade de energia de radiofrequência (RF) que chega à antena. Para nós de IoT alimentados por bateria, cada miliwatt usado para enviar um sinal reduz a duração da bateria e aumenta os custos de manutenção. Os laminados de baixa perda da Rogers permitem que mais energia de RF passe pela antena em vez de se transformar em calor no material da placa. Como isso aumenta a eficiência, é possível reduzir a potência de transmissão e ainda manter uma boa conexão, o que prolonga consideravelmente a vida útil da bateria. Verifique os números de consumo de energia logo no início do ciclo de projeto, utilizando serviços de prototipagem de PCBs individuais.
O projeto térmico também é importante. Um amplificador de potência que aquece desperdiça energia e seu desempenho é afetado. Utilize furos de cobre e vias térmicas na parte frontal de RF para dissipar o calor. Mantenha os circuitos de referência sensíveis à temperatura afastados do amplificador de potência.
As limitações do DFM (Design for Manufacturing) impõem compromissos. Larguras e espaçamentos de trilhas mais estreitos aumentam o custo e reduzem o rendimento. O uso do painel e a quantidade de camadas afetam o preço. Escolha impedância controlada nas camadas de RF e verifique a estrutura de camadas com seu fabricante antes do lançamento. Essas escolhas protegem o consumo de corrente e contribuem para um baixo consumo de energia durante toda a vida útil do produto.
Coleta de energia de radiofrequência e agendamento de sistemas
A captação de energia por radiofrequência (RF) pode eliminar ou reduzir o tamanho da bateria em alguns projetos. Um transmissor de RF de 915 MHz emite energia, que é coletada por um receptor. A energia de RF coletada é convertida e armazenada em um capacitor. Esse capacitor fornece uma saída de tensão pulsada e regulada para carregar dispositivos de armazenamento de energia. Isso inclui as ultrafinas e duráveis baterias de película fina THINERGY MEC, outras baterias de película fina e baterias recarregáveis comuns. Integrado a dispositivos de micropotência, como sensores sem fio, o receptor pode carregar baterias a mais de 40 metros de distância do transmissor.
“A combinação de nossos MECs recarregáveis THINERGY com o sistema de coleta de energia de radiofrequência da Powercast possibilita sistemas sem fio autônomos e autossuficientes para décadas de operação sem manutenção”, afirma Tim Bradow, vice-presidente de marketing da Infinite Power Solutions.
Combine a coleta de energia com um microcontrolador de consumo ultrabaixo. Agende transmissões de RF em rajadas e deixe o microcontrolador em modo de espera entre elas. Essa abordagem permite comunicação sem fio de baixa potência e mantém o consumo médio de energia baixo. As conexões BLE obtêm o máximo benefício quando os eventos de conexão são alinhados com as janelas de energia coletada. Menos transmissões reduzem o consumo de corrente e prolongam a vida útil em campo.
Técnica | Benefício de duração da bateria |
|---|---|
Laminado de baixa perda | Menos potência de transmissão para o mesmo enlace |
Vias térmicas sob PA | Desempenho estável, menos desperdício de energia |
Colheita de RF | Substituição de bateria reduzida ou inexistente |
Agendamento de rajadas | Menor consumo médio de energia |
A comunicação por radiofrequência (RF) e a otimização de energia devem estar interligadas no nível da placa. O orçamento de enlace, a sensibilidade do receptor, os fatores de potência da placa e as configurações de BLE (Bluetooth Low Energy) influenciam a autonomia. O ajuste do Bluetooth Low Energy não compensa uma placa ruidosa. Aplique estas diretrizes dentro dos limites do DFM (Design for Manufacturing). Essa disciplina proporciona maior duração da bateria e reduz o consumo geral de energia . Monitore o consumo de energia em cada barramento. Acompanhe o consumo de energia ao longo do ciclo de trabalho. Compare o consumo de energia antes e depois das alterações. Meça o consumo de energia em estados ociosos. Os projetos de Bluetooth LE e BLE se beneficiam dessa abordagem. Produtos BLE com agendamento preciso duram mais. Conexões BLE com energia limpa desperdiçam menos energia. O projeto holístico da placa definirá o futuro dos produtos sem fio. Essa abordagem protege a vida útil da bateria em campo.
Perguntas frequentes
De quanto orçamento de enlace você precisa para um produto BLE para uso interno?
Comece com o orçamento do rádio e subtraia as perdas reais. Ambientes internos adicionam de 20 a 30 dB em relação às estimativas para espaço livre. Paredes de gesso acartonado adicionam de 3 a 5 dB por parede, e paredes de concreto ou tijolo adicionam de 10 a 20 dB. Um corpo no caminho do sinal adiciona de 3 a 6 dB. Calcule sua margem com base nesses valores, não na faixa indicada na folha de dados.
Um receptor mais sensível sempre economiza bateria?
Não. Uma sensibilidade maior geralmente exige mais corrente na cadeia de recepção. Ajuste a sensibilidade à sua margem de enlace real. Um orçamento generoso permite aceitar uma sensibilidade menor e um consumo de corrente menor. Um orçamento apertado deixa pouca margem para um receptor com baixa sensibilidade.
Qual configuração de BLE economiza mais energia?
O intervalo de conexão proporciona o maior ganho. Aumentar esse intervalo de 30 ms para cerca de 950 ms reduz a corrente média de aproximadamente 228 µA para cerca de 25 µA. A latência periférica também contribui. Uma latência de 5 ms em um intervalo de 75 ms reduz a corrente de cerca de 230 µA para cerca de 140 µA.
Por que um plano de aterramento dividido prejudica a vida útil da bateria?
A corrente de retorno segue o caminho de menor indutância, logo abaixo da trilha de sinal. Uma divisão sob essa trilha aumenta a área do circuito. A radiação, a diafonia e as perdas aumentam, e o consumo de corrente acompanha esses aumentos. Um módulo mmWave 5G perdeu 10 dB devido a terras divididas.
Será que a captação de energia por radiofrequência pode substituir completamente a bateria?
Às vezes. Um receptor de coleta de energia de 915 MHz pode carregar o armazenamento a mais de 40 metros de distância. Combine-o com um microcontrolador de ultrabaixo consumo e transmissões em rajadas. Alinhe os eventos de conexão com as janelas de energia coletada. Muitos projetos ainda mantêm uma pequena célula como backup.
