射頻通訊和功率最佳化不能被視為獨立的問題。板級設計將它們緊密聯繫在一起，而這條鏈路決定了所有無線產品的電池續航時間。本指南面向建構電池供電射頻設備的硬體工程師和電子產品團隊。射頻前端的選擇和功率技術如何協同作用以決定實際運行時間？您將了解鏈路預算、接收器靈敏度、板級功率因數、低功耗藍牙 (BLE) 調諧和可調諧頻率 (DFM) 的權衡。以 BLE 感測器節點為例。它的無線電模組消耗的電流最大。精心設計的 BLE 調度和睡眠模式可以延長其運行時間。這些選擇無需額外電池即可實現長續航力。
關鍵要點
更大的鏈路預算允許你使用更少的發射功率，同時仍然能夠到達接收器。
將接收器靈敏度與實際鏈路餘裕相匹配，以免浪費電池電量。
保持良好的接地平面，並在射頻晶片附近放置去耦電容器，以減少功率損耗。
選擇能夠滿足您需求的最長 BLE 連線間隔，這樣可以最大程度地節省電力。
利用射頻能量採集和突發傳輸來減少或消除電池更換次數。
電池供電設計中的射頻通訊基礎知識
鏈路預算和路徑損耗
鏈路預算顯示了射頻通訊鏈路能夠承受的訊號損耗。更大的預算意味著可以用更低的功率發送訊號，同時仍能到達接收器。以 nRF52840 為例，在 +8 dBm 功率和 1 Mbps 速率下，其連結預算為 89 dB，理論傳輸距離約為 280 公尺。如果功率降至 0 dBm，則連結預算降至 81 dB，傳輸距離約為 110 公尺。採用編碼物理層 (Coded PHY) 可將連結預算提升至 96 dB，並將傳輸距離擴展至約 630 公尺。
室內環境會使這些數值變得更糟。與自由空間估算值相比，路徑損耗會增加 20-30 dB。室外 280 公尺的有效距離在室內會因幾面牆而縮短至約 30-50 公尺。路徑上有人會增加 3-6 dB 的損耗。石膏板牆每面牆會增加 3-5 dB 的損耗，而混凝土或磚牆則會增加 10-20 dB 的損耗。塑膠外殼會增加 1-3 dB 的損耗。您可以透過動態調整傳輸功率來彌補這些損耗。僅在鏈路需要時才提高功率，並保持平均功耗較低。
接收器靈敏度和電流消耗
接收靈敏度和電流消耗相互限制。靈敏度較高的接收機可以接收到較弱的訊號，因此發射機可以節省能量。但這種高靈敏度通常會導致接收鏈路中更高的電流消耗。您必須權衡這兩方面因素，並考慮總功耗。
接收器電流消耗越高，整個佔空比內的平均耗電量就越高。為了降低功耗，應使靈敏度與實際鏈路餘裕相符。當鏈路預算緊張時，接收器的靈敏度會大幅降低。而充足的鏈路預算則允許降低靈敏度和電流消耗。這種平衡有利於低功耗無線通信，並能延長電池壽命。接收路徑中每減少一毫安培的電流，都能延長產品的使用壽命。
射頻前端板級功耗
在電池供電設備中，射頻模組通常是耗電最多的模組。射頻通訊需要純淨的電源供應。電路板上的設計決定了有多少能量到達天線，有多少能量會轉化為熱。您可以測量電源軌的功耗，並將其與輻射輸出進行比較。兩者之間的差距顯示了電源優化能帶來哪些效益。
佈局、接地和屏蔽
對於射頻電路板而言，實心連續的銅接地層比網格接地層效果更好。網格接地層在高頻下會使電感增加一個數量級。應在所有非訊號層上鋪設接地層，並以密集的過孔連接。射頻回流電流會沿著訊號走線正下方電感最低的路徑流動。如果訊號走線下方出現斷路，則會增加迴路面積，導致輻射、串擾和損耗，進而增加電流消耗。一個 5G 毫米波模組就因接地層斷路而產生了10 dB 的插入損耗。透過重新設計，採用連續的內部接地層和 λ/20 的過孔連接，使其頻率響應恢復到 28 GHz。
沿彎曲處每隔四分之一波長設置接地過孔。射頻PCB的過孔縱橫比應保持在0.8至1.2之間。過縱橫比過高會增加電感，進而降低訊號性能。這些做法可以降低發射路徑中的電流消耗，減少功耗，並延長電池壽命，從而延長產品在實際應用中的使用壽命。
直流-直流電路佈局和解耦
電源軌雜訊會浪費能量、增加電流消耗並提高功耗。在每個射頻積體電路的電源接腳附近緊貼放置一個小型陶瓷電容。在同一層上添加一個中等容量的電容，對於功率放大器，還應添加一個大容量電容。每個電容都應使用獨立的接地過孔。共用過孔會破壞低阻抗去耦路徑。在降壓轉換器中加入LC濾波器和阻尼電路。這可以防止在射頻頻段內的開關諧波處出現峰值雜訊。在降壓轉換器之後放置低壓差線性穩壓器（LDO），為鎖相環（PLL）、本振（LO）和低雜訊放大器（LNA）建立低雜訊電源軌。使開關節點遠離天線和饋線。
這些措施降低了整個佔空比內的平均功耗和電流消耗，並最大限度地減少了空閒狀態下的功耗。之後，您可以測量每路電源軌的功耗並確認增益。良好的去耦有助於降低功耗並延長使用壽命。
藍牙低功耗功耗和藍牙低功耗電源效率
藍牙低功耗 (BLE) 的耗電量取決於無線電模組的喚醒頻率和持續開啟時間。您可以透過藍牙低功耗設定來控制這兩個參數。若設定得當，BLE 裝置無需任何硬體變更即可延長電池續航力。
連線間隔和廣告參數
連線間隔設定中心設備和周邊設備交換資料的頻率。您可以選擇 7.5 毫秒到 4 秒之間的值，步長為 1.25 毫秒。較短的間隔意味著更低的延遲和更高的吞吐量，但也會消耗更多電流。較長的間隔可以節省能源，但會增加延遲。外圍設備延遲允許外圍設備在沒有資料要發送時跳過連接事件。監控逾時（從 100 毫秒到 32 秒，步長為 10 毫秒）設定連結在沒有封包的情況下可以保持的最長時間，超過此時間連結將會中斷。
連線間隔 | 週邊潛伏期 | 平均電流（0 dBm TX） |
|---|---|---|
30毫秒 | 0 | 約228微安 |
75毫秒 | 0 | 約230微安 |
75毫秒 | 5 | 約 140 微安培（節省約 40%） |
875–950 毫秒 | 0 | 約25微安 |
數據清晰地顯示了收益。將連線間隔從 30 毫秒延長至約 950 毫秒，平均電流從約 228 微安培降至約 25 微安培。在 75 毫秒的間隔內增加 5 毫秒的外圍延遲，可將電流從約 230 微安培降至約 140 微安培。自適應連線間隔可讓您根據流量變化在這些設定之間切換。
選擇能夠滿足應用程式延遲和吞吐量需求的最長連線間隔，以便將功耗保持在盡可能低的水平。
在建立連線之前，廣播間隔同樣重要。較長的廣播間隔可以降低藍牙低功耗 (BLE) 在裝置發現期間的功耗。短時間的廣播脈衝大約消耗3 mA 到 10 mA 的電流，而活躍連接的平均功耗為 5 mA 到 30 mA。空閒睡眠狀態下的耗電量約為 1 µA 到 10 µA。這些狀態決定了您產品中藍牙低功耗的最低功耗等級。
睡眠模式和占空比
睡眠計畫是提升藍牙低功耗 (BLE) 能源效率的關鍵。如果設定得當，Silicon Labs 的藍牙協定堆疊會將裝置置於深度睡眠模式，僅在通訊視窗或待辦事項期間將其喚醒。深度睡眠模式比淺層睡眠模式更節能，因此請選擇既能滿足喚醒需求又能達到深度睡眠的模式。
縮短射頻活動時間是最直接有效的手段。減少傳輸次數意味著在整個佔空比內電流消耗更低。透過控制佔空比來縮短射頻活動時間，可以使射頻活動時間更短且更可預測。這樣，您就可以最大限度地降低空閒狀態下的功耗，並在長時間待機期間保持低功耗。透過這種方式優化藍牙低功耗 (BLE) 的功耗，可以保護電池壽命並延長產品在實際應用中的使用壽命。良好的 BLE 電源效率源自於調度，而不是更大的電池容量。
電路板設計優化電池壽命
疊層結構、熱力學與可製造性設計約束
您選擇的層數和使用的材料會影響到達天線的射頻能量。對於電池供電的物聯網節點，每毫瓦的訊號傳輸都會縮短設備的運作時間並增加維護成本。低損耗的羅傑斯層壓板可以讓更多的射頻能量通過天線輸出，而不是在電路板材料中轉化為熱。由於這提高了效率，您可以降低發射功率並保持良好的連接，從而顯著延長電池壽命。在設計週期的早期階段，可以使用單塊PCB原型服務來檢查功耗資料。
散熱設計也至關重要。功率放大器過熱會造成能量浪費，並導致性能漂移。應在射頻前端採用銅箔覆蓋和散熱過孔來分散熱量。同時，應使對溫度敏感的參考訊號遠離功率放大器。
DFM（面向製造的設計）限制迫使我們做出權衡。更窄的走線寬度和間距會增加成本並降低良率。面板的使用和層數也會影響價格。在射頻層上選擇可控阻抗，並在發布前與製造商檢查疊層結構。這些選擇可以保護電流消耗，並在產品整個生命週期中支援低功耗。
射頻能量收集和系統調度
在某些設計中，射頻能量擷取技術可以移除或縮小電池體積。 915 MHz 射頻發射器發出能量，接收器接收此能量。收集到的射頻能量被轉換並儲存在電容器中。此電容器輸出脈衝穩壓電壓，用於涓流充電儲能元件。這些裝置包括超薄長壽命的 THINERGY MEC、其他薄膜電池以及普通可充電電池。內建於無線感測器等微功耗裝置中的接收器，可在距離發射器 40 英尺（約 12 公尺）以外的地方為電池充電。
「將我們的THINERGY 可充電 MEC與 Powercast 的射頻能量收集系統相結合，可實現自主、自供電的無線系統，並可實現數十年的免維護運行，」Infinite Power Solutions 的營銷副總裁 Tim Bradow 表示。
將能量採集與超低功耗微控制器結合使用。以脈衝串形式安排射頻傳輸，並在脈衝串間隙讓微控制器進入睡眠狀態。這種方法支援低功耗無線通信，並能保持較低的平均功耗。當連接事件與能量採集視窗對齊時，BLE 連結的效能提升最為顯著。減少傳輸次數可以降低電流消耗，並延長設備在現場的使用壽命。
技術 | 電池續航力 |
|---|---|
低損耗層壓板 | 相同鏈路下發射功率更低 |
PA下方的熱過孔 | 性能穩定，能耗更低 |
射頻收集 | 減少或無需更換電池 |
突發調度 | 平均功耗降低 |
射頻通訊和電源優化在電路板層面密不可分。鏈路預算、接收器靈敏度、電路板功率因數和 BLE 設定都會影響運行時間。藍牙低功耗調諧無法挽救雜訊較大的電路板。在 DFM 限制範圍內應用這些準則。這種嚴謹的管理方式能夠延長電池壽命，並降低整體功耗。密切注意每個電源軌的功耗，追蹤整個佔空比下的功耗，比較更改前後的功耗，並測量空閒狀態下的功耗。藍牙 LE 和 BLE 設計都重視這一點。採用嚴格調度的 BLE 產品續航時間更長，而採用純淨電源的 BLE 連結則能減少耗電量。整體電路板設計將定義未來的無線產品，這種方法能夠有效保護電池在實際應用中的壽命。
常見問題
室內低功耗藍牙產品需要多少連結預算？
首先考慮收音機的預算，然後減去實際損耗。室內環境的損耗比自由空間估算值高出 20-30 dB。石膏板牆每面牆損耗 3-5 dB，混凝土或磚牆每面牆損耗 10-20 dB。路徑上的人體損耗為 3-6 dB。在確定裕量時，應根據這些實際損耗值，而不是資料手冊上的範圍。
靈敏度更高的接收器一定能節省電池電量嗎？
不。更高的靈敏度通常會在接收連結中消耗更多電流。靈敏度應與實際鏈路餘裕相符。預算充足時，您可以接受較低的靈敏度和較低的電流消耗。預算緊張時，則幾乎沒有餘地接受靈敏度低的接收機。
哪種BLE設定最省電？
連線間隔的調整效果最為顯著。將其從 30 毫秒延長至約 950 毫秒，可將平均電流從約 228 微安培降至約 25 微安培。週邊延遲也有幫助。在 75 毫秒的間隔下，延遲為 5 毫秒可將電流從約 230 微安培降至約 140 微安培。
為什麼分離式接地平面會縮短電池壽命？
回流電流沿著電感最小的路徑流動，該路徑位於訊號走線正下方。如果該走線下方出現分流，則迴路面積會增加。輻射、串擾和損耗都會增加，電流消耗也會隨之增加。一個 5G 毫米波模組因接地分流而損失了 10 dB 的性能。
射頻能量擷取能否完全取代電池？
有時可以。 915 MHz 的能量擷取接收器可以在 40 英尺（約 12 公尺）以外為儲存裝置充電。將其與超低功耗微控制器和突發傳輸配合使用，並將連接事件與能量擷取視窗對齊。許多設計仍然保留一個小型電池作為備用。
