Нельзя рассматривать радиочастотную связь и оптимизацию энергопотребления как отдельные проблемы. Проектирование на уровне печатной платы связывает их воедино, и эта связь определяет время автономной работы каждого беспроводного устройства. Это руководство предназначено для инженеров по аппаратному обеспечению и групп разработчиков электронных устройств, создающих радиочастотные устройства с батарейным питанием. Как выбор радиочастотного интерфейса и методы управления энергопотреблением взаимодействуют, определяя реальное время работы? Вы увидите расчет бюджета канала связи, чувствительность приемника, коэффициенты мощности на уровне печатной платы, настройку Bluetooth Low Energy и компромиссы в области проектирования с учетом технологичности (DFM). Рассмотрим сенсорный узел BLE. Его радиомодуль потребляет наибольший ток. Тщательное планирование Bluetooth LE и спящие режимы позволяют ему работать дольше. Эти решения обеспечивают длительное время автономной работы без дополнительных элементов питания.
Основные выводы
Больший энергетический бюджет канала связи позволяет использовать меньшую мощность передачи и при этом достигать приемника.
Настройте чувствительность приемника в соответствии с реальным запасом мощности вашего канала связи, чтобы не расходовать заряд батареи впустую.
Для уменьшения потерь мощности обеспечьте надежное заземление и разместите развязывающие конденсаторы рядом с радиочастотными микросхемами.
Выберите максимально возможный для вас интервал подключения BLE, чтобы сэкономить электроэнергию.
Используйте сбор радиочастотной энергии с помощью пакетной передачи данных, чтобы сократить или полностью исключить замену батарей.
Основы радиочастотной связи для устройств с батарейным питанием
Бюджет канала связи и потери на трассе распространения сигнала
Показатель допустимого уровня потерь сигнала в канале связи отражает, насколько сильно может ограничивать себя ваш радиочастотный канал связи . Больший запас мощности означает, что вы можете передавать сигнал с меньшей мощностью и при этом достигать приемника. Возьмем nRF52840 при мощности +8 дБм и скорости 1 Мбит/с. Он обеспечивает запас мощности 89 дБ и теоретическую дальность около 280 м. При мощности 0 дБм запас мощности снижается до 81 дБ, а дальность составляет около 110 м. Кодированный физический уровень (Coded PHY) увеличивает запас мощности до 96 дБ и расширяет дальность примерно до 630 м.
В помещениях эти показатели значительно ухудшаются. Добавьте 20–30 дБ потерь на трассе распространения сигнала по сравнению с оценками для свободного пространства. Показатель для улицы в 280 м снижается до 30–50 м в помещении при наличии нескольких стен. Человеческое тело на трассе распространения добавляет 3–6 дБ. Гипсокартон добавляет 3–5 дБ на каждую стену, а бетон или кирпич – 10–20 дБ. Пластиковый корпус добавляет 1–3 дБ. Эти потери можно компенсировать динамической регулировкой мощности передачи. Увеличивайте мощность только тогда, когда это необходимо каналу связи, и поддерживайте низкое среднее энергопотребление.
Чувствительность приемника и потребляемый ток
Чувствительность приемника и потребляемый ток работают вразрез друг с другом. Более чувствительный приемник улавливает более слабые сигналы, поэтому передатчик может экономить энергию. Эта чувствительность часто приводит к большему потреблению тока в приемной цепи. Необходимо сопоставить оба фактора с общим энергопотреблением.
Более высокое потребление тока в приемнике увеличивает среднее энергопотребление в течение всего рабочего цикла. Для низкого энергопотребления согласуйте чувствительность с реальным запасом мощности канала связи. Ограниченный бюджет мощности канала связи оставляет мало места для нечувствительного приемника. Щедрый бюджет позволяет смириться с более низкой чувствительностью и меньшим потреблением тока. Такой баланс поддерживает беспроводную связь с низким энергопотреблением и продлевает срок службы батареи. Каждый миллиампер, удаленный из тракта приема, увеличивает срок службы устройства.
Потребление энергии на уровне печатной платы в радиочастотных входных каскадах
В устройствах с батарейным питанием радиочастотные модули обычно потребляют больше всего энергии. Для радиочастотной связи необходима чистая подача питания. Выбор параметров на уровне платы определяет, сколько энергии достигает антенны, а сколько превращается в тепло. Можно измерить потребление энергии на шине питания и сравнить его с излучаемой мощностью. Эта разница показывает, где оптимизация энергопотребления приносит свои плоды.
Схема, заземление и экранирование
Для ВЧ-плат сплошная, непрерывная медная заземляющая плоскость работает лучше, чем сетка. Сетки могут увеличивать индуктивность на порядок на высоких частотах. Заземление следует наносить на все несигнальные слои и плотно соединять их сквозными переходными отверстиями. Возвратный ВЧ-ток следует по пути с наименьшей индуктивностью непосредственно под сигнальной дорожкой. Разрыв под этой дорожкой увеличивает площадь петли и вызывает излучение, перекрестные помехи и потери, что увеличивает потребление тока. Один модуль 5G mmWave показал потери на входе 10 дБ из-за разделенного заземления. Перепроектирование с использованием смежных внутренних плоскостей и соединения переходных отверстий λ/20 позволило восстановить ровную частотную характеристику до 28 ГГц.
Размещайте заземляющие переходные отверстия через каждые четверть длины волны вдоль изгибов. Для радиочастотных печатных плат следует поддерживать соотношение сторон переходных отверстий в пределах 0.8–1.2. Более высокие соотношения увеличивают индуктивность и ухудшают характеристики сигнала. Эти методы снижают потребление тока в тракте передачи, уменьшают энергопотребление и продлевают срок службы батареи. Они также увеличивают срок службы изделия в полевых условиях.
Размещение и развязка DC-DC преобразователей
Шум в цепи питания приводит к потерям энергии, увеличению потребляемого тока и повышению общего энергопотребления. Разместите небольшой керамический конденсатор вплотную к каждому выводу питания ВЧ-микросхемы. Добавьте конденсатор средней емкости, а для усилителей мощности — дополнительный конденсатор на том же слое. Каждый конденсатор должен иметь собственное заземляющее отверстие. Общие переходные отверстия нарушают низкоимпедансный путь развязки. Добавьте LC-фильтры и демпфирование к понижающим преобразователям. Это предотвратит пиковые значения на коммутационных гармониках, попадающих в ВЧ-диапазоны. Разместите LDO после понижающих преобразователей, чтобы создать малошумящие шины для ФАПЧ, гетеродина и малошумящих усилителей. Держите коммутационные узлы подальше от антенн и фидеров.
Эти шаги снижают среднее энергопотребление и потребление тока в течение всего рабочего цикла. Они также минимизируют энергопотребление в режиме ожидания. Затем можно измерить энергопотребление на каждом уровне напряжения и подтвердить выигрыш. Хорошая развязка обеспечивает низкое энергопотребление и более длительный срок службы.
Потребление энергии Bluetooth LE и энергоэффективность BLE
Энергопотребление Bluetooth LE зависит от частоты включения и продолжительности работы радиомодуля. Оба параметра регулируются настройками Bluetooth Low Energy . При правильной настройке устройства BLE работают от батареи дольше без каких-либо изменений в аппаратной части.
Интервалы подключения и параметры рекламы
Интервал соединения определяет, как часто центральный и периферийный узлы обмениваются данными. Вы можете выбрать значение от 7.5 мс до 4 с с шагом 1.25 мс. Короткий интервал означает меньшую задержку и более высокую пропускную способность, но также потребляет больше тока. Длинный интервал экономит энергию, но увеличивает задержку. Задержка периферийного узла позволяет ему пропускать события соединения, когда у него нет данных для отправки. Тайм-аут контроля, от 100 мс до 32 с с шагом 10 мс, устанавливает максимально допустимое время работы канала без пакетов до их разрыва.
Интервал соединения | Периферическая латентность | Средний ток (0 дБм TX) |
|---|---|---|
30 мс | 0 | ~228 мкА |
75 мс | 0 | ~230 мкА |
75 мс | 5 | ~140 мкА (экономия ≈40%) |
875–950 мс | 0 | ~25 мкА |
Данные наглядно демонстрируют выгоду. Увеличение интервала с 30 мс до примерно 950 мс снижает средний ток с ~228 мкА до ~25 мкА . Добавление задержки периферийного устройства в 5 единиц с интервалом 75 мс снижает ток с ~230 мкА до ~140 мкА. Адаптивный интервал соединения позволяет переключаться между этими настройками в зависимости от изменения трафика.
Выберите максимально возможный интервал соединения , который по-прежнему соответствует требованиям вашего приложения по задержке и пропускной способности, чтобы энергопотребление оставалось как можно ниже.
Интервал между рекламными сообщениями имеет такое же важное значение до установления соединения. Более длительный интервал между рекламными сообщениями снижает энергопотребление Bluetooth LE во время обнаружения. Короткие рекламные пакеты потребляют от 3 до 10 мА , в то время как активное соединение в среднем потребляет от 5 до 30 мА. В режиме ожидания потребление составляет около 1–10 мкА. Эти состояния устанавливают минимальный уровень энергопотребления Bluetooth Low Energy в вашем устройстве.
Режимы сна и циклическая работа
Планирование сна — вот где вы выигрываете в плане энергоэффективности BLE . При правильной настройке стек Bluetooth от Silicon Labs переводит устройство в режим глубокого сна и пробуждает его только для окон связи или незавершенных задач. Более глубокие режимы сна экономят больше энергии, чем более поверхностные, поэтому выбирайте самый глубокий режим, который все еще удовлетворяет вашим потребностям в пробуждении.
Сокращение времени активности радиочастоты — это наиболее прямой рычаг воздействия. Меньшее количество передач означает меньшее потребление тока в течение рабочего цикла. Поддержание короткого времени активности радиочастоты за счет циклического режима делает время активности радиочастоты коротким и предсказуемым. Таким образом, можно минимизировать энергопотребление в режиме ожидания и поддерживать низкое энергопотребление в течение длительных периодов ожидания. Оптимизация энергопотребления Bluetooth Low Energy таким образом защищает срок службы батареи и продлевает срок службы изделия в полевых условиях. Высокая энергоэффективность BLE достигается за счет планирования, а не за счет большей емкости батареи.
Конструкция платы для оптимизации времени автономной работы.
Ограничения, связанные с плотностью слоев, тепловыми характеристиками и технологичностью проектирования (DFM).
Выбор слоев и используемых материалов влияет на количество радиочастотной энергии, достигающей антенны. Для IoT-узлов с батарейным питанием каждый милливатт, затраченный на передачу сигнала, сокращает время работы устройства и увеличивает затраты на обслуживание. Низкопотерные ламинаты Роджерса позволяют большему количеству радиочастотной энергии выходить через антенну, а не превращаться в тепло в материале платы. Поскольку это повышает эффективность, можно снизить мощность передачи и при этом сохранить хорошую связь, что значительно продлевает срок службы батареи. Проверяйте показатели энергопотребления на ранних этапах проектирования, используя услуги по созданию прототипов на одной печатной плате.
Тепловая конструкция тоже имеет значение. Усилитель мощности, который сильно нагревается, теряет энергию, и его характеристики ухудшаются. Для равномерного распределения тепла в ВЧ-тракте используйте медные литники и теплоотводящие переходные отверстия. Держите чувствительные к температуре опорные источники сигнала подальше от усилителя мощности.
Принципы проектирования для производства (DFM) ограничивают компромиссы. Более узкая ширина и расстояние между дорожками увеличивают стоимость и снижают выход годных изделий. Использование панелей и количество слоев влияют на цену. Выбирайте контролируемое сопротивление для ВЧ-слоев и проверяйте структуру слоев с вашим производителем перед выпуском. Эти решения защищают от потребления тока и обеспечивают низкое энергопотребление на протяжении всего срока службы изделия.
Сбор радиочастотной энергии и планирование работы системы
Сбор радиочастотной энергии позволяет в некоторых конструкциях уменьшить или вовсе исключить использование батареи. Радиочастотный передатчик с частотой 915 МГц излучает энергию, а приемник её собирает. Собранная радиочастотная энергия преобразуется и сохраняется в конденсаторе. Этот конденсатор выдаёт импульсное стабилизированное напряжение для устройств хранения энергии, работающих в режиме медленной зарядки. К ним относятся тонкие, как бумага, долговечные микроэлектромеханические системы THINERGY MEC, другие тонкопленочные батареи и обычные перезаряжаемые батареи. Встроенный в микроэнергетические устройства, такие как беспроводные датчики, приемник может заряжать батареи на расстоянии более 40 метров от передатчика.
«Сочетание наших перезаряжаемых MEC-модулей THINERGY с системой сбора радиочастотной энергии Powercast позволяет создавать автономные, самодостаточные беспроводные системы, рассчитанные на десятилетия работы без технического обслуживания», — говорит Тим Брэдоу, вице-президент по маркетингу компании Infinite Power Solutions.
Сочетайте сбор энергии с микроконтроллером со сверхнизким энергопотреблением. Планируйте радиочастотные передачи пакетами и позволяйте микроконтроллеру переходить в спящий режим между ними. Такой подход поддерживает беспроводную связь с низким энергопотреблением и поддерживает низкое среднее энергопотребление. BLE-соединения получают наибольшую выгоду, если события подключения совпадают с периодами сбора энергии. Меньшее количество передач снижает потребление тока и продлевает срок службы устройства в полевых условиях.
Техника | Преимущество в увеличении времени автономной работы батареи |
|---|---|
Ламинат с низкими потерями | Меньшая мощность передачи при том же канале связи. |
Тепловые переходные отверстия под усилителем мощности | Стабильная работа, меньше потерь энергии |
сбор радиочастот | Сокращенная или полная замена батарей. |
Планирование пакетной обработки | Более низкое среднее энергопотребление |
Радиочастотная связь и оптимизация энергопотребления взаимосвязаны на уровне платы. Бюджет канала связи, чувствительность приемника, коэффициенты мощности платы и настройки BLE влияют на время работы. Настройка Bluetooth Low Energy не спасет шумную плату. Применяйте эти рекомендации в рамках ограничений DFM (проектирование для производства). Такая дисциплина обеспечивает длительный срок службы батареи. Она также снижает общее энергопотребление . Следите за энергопотреблением на каждом уровне. Отслеживайте энергопотребление в течение всего рабочего цикла. Сравнивайте энергопотребление до и после изменений. Измеряйте энергопотребление в режиме ожидания. Конструкции Bluetooth LE и BLE поощряют это. Продукты BLE с жестким планированием служат дольше. Каналы BLE с чистым питанием потребляют меньше энергии. Целостный подход к проектированию платы определит будущее беспроводных продуктов. Такой подход защищает срок службы батареи в полевых условиях.
FAQ
Какой объем трафика необходим для устройства BLE, предназначенного для использования внутри помещений?
Начните с расчета бюджета радиоприемника и вычтите реальные потери. В помещениях потери увеличиваются на 20–30 дБ по сравнению с оценками для свободного пространства. Гипсокартон увеличивает потери на 3–5 дБ на стену, а бетон или кирпич – на 10–20 дБ. Тело на пути распространения звука добавляет 3–6 дБ. Рассчитывайте запас по этим значениям, а не по диапазону, указанному в технических характеристиках.
Всегда ли более чувствительный приемник экономит заряд батареи?
Нет. Более высокая чувствительность обычно потребляет больше тока в приемной цепи. Подберите чувствительность в соответствии с фактическим запасом мощности вашего канала связи. Щедрый бюджет позволяет использовать более низкую чувствительность и меньшее потребление тока. Ограниченный бюджет оставляет мало места для приемника, предназначенного для глухих.
Какой режим BLE позволяет сэкономить больше всего энергии?
Наибольший выигрыш дает интервал соединения. Увеличение его с 30 мс до примерно 950 мс снижает средний ток примерно с 228 мкА до 25 мкА. Задержка периферийных устройств также помогает. Задержка в 5 мс при интервале в 75 мс снижает ток примерно с 230 мкА до 140 мкА.
Почему разделение плоскости заземления негативно влияет на срок службы батареи?
Обратный ток следует по пути наименьшей индуктивности, непосредственно под сигнальной дорожкой. Разрыв под этой дорожкой увеличивает площадь контура. Излучение, перекрестные помехи и потери возрастают, и потребление тока увеличивается вместе с ними. Один модуль 5G mmWave потерял 10 дБ из-за разрыва заземления.
Может ли сбор радиочастотной энергии полностью заменить батарею?
Иногда. Приемник, работающий на частоте 915 МГц и предназначенный для сбора энергии, может заряжать накопители на расстоянии более 40 метров. В сочетании со сверхэкономичным микроконтроллером и пакетной передачей данных, события подключения должны совпадать с периодами сбора энергии. Во многих конструкциях по-прежнему используется небольшой аккумулятор в качестве резервного источника.
