備受青睞的物聯網(IoT)包含大量連結至網際網路的低功率無線裝置。這些裝置需要精心設計,以延長其電池壽命,減少對環境的影響,並最大限度地提高製造商利潤。

要降低無線系統的功耗,我們需要考慮如下11個因素:

第一:系統選擇

使用的無線類型取決於幾個因素,其中主要是資料速率、通訊範圍和營運成本。選擇範圍非常廣泛,從短距離ZigBee、執行緒、藍牙和Wi-Fi,到遠程低功率無線(如LoRa和SigFox)或蜂巢式解決方案。

第二:波長

一些無線波長比其他波長傳播得更好,而且傳播可能與提高的功率效率相關。通常,低頻率無線電波比高頻率傳播得更好,但缺點是資料速率可能較低。例如,2.4/5GHz頻段的傳輸距離為幾十公尺,但每秒可傳輸數百kb的資料。而低於GHz頻段的傳輸距離可以達到幾百公尺甚至幾千公尺,但傳送速率可能只有每秒幾個kb。無線網狀網路通過在節點之間轉換資料來擴展傳輸距離。

第三:微控制器的待機功耗

很多微控制器都聲稱自己是低功耗的,但是一些僅在待機狀態下低功耗,另一些則在運作時也保持低功耗。裝置待機的頻率決定了哪一個才是關鍵參數,如果裝置通常都處於待機狀態,就要考慮深度睡眠的功耗;如果裝置總是處於喚醒狀態,例如收聽網路,那麼關鍵參數就變成了工作功耗。

第四:電源

電源是電池供電裝置的關鍵考慮因素。一旦你為產品選定了合適的供電方式,比如是使用者可更換的電池(AA、AAA等)還是可充電電池(如鋰離子聚合物電池Li-Po),就可以進行相對應的最佳化。環境溫度(特別冷或特別熱)對電池使用壽命有很大影響,就像電池放電曲線一樣。低功率無線電裝置在睡眠時一般功耗非常少,在喚醒時會使用大量電流進行接收和發射,某些類型的電池可能無法很好地處理這種情況。

第五:上拉及其他設計技巧

低功耗無線系統設計需要注意無線電路之外的一些細節,例如上拉電阻(pull-up resistor)。這些需要進行最佳化才能最大限度地延長電池壽命。例如可透過添加主動元件(如FET)來打開和關閉元件和上拉電阻。

如果您決定在設計中使用FET,請用心選擇。即使只消耗了幾毫安培,你也會發現額定功率為幾安培的高功率元件之Vf (正向電壓)較低,這意味著FET導通時浪費的電能更少。

第六:試算表

使用試算表(spreadsheet)便於確定應該做出哪些折衷來獲得可行的設計。

試算表可用於查看傳輸或接收時序的平衡如何影響電池壽命,以及傳輸應持續多長時間,以便確定穩壓器在電壓範圍和電流要求方面的效率。

第七:功率量測

標準萬用表的取樣速率比較低,容易錯過與傳輸相關的短RF突發(RF bursts)。要進行功率量測,最好使用具備數學函數的示波器或高頻萬用表,或者是採用瓦時計(watt-hour meter)可測量長時間內的功率累計。

第八:天線調諧

如果傳輸範圍很重要,請務必調整天線。這樣可以在不增加系統功率預算的情況下最大化裝置的能效。

第九:TX功率

不要在不必要的情況下提高輸出功率。例如,如果你的無線傳輸距離只需10公尺,就不需要5dB的輸出功率,否則只會浪費電能,並縮短電池使用壽命。

第十:批次測試

使用電池供電的低功耗裝置,可以在接近元件性能極限的情況下運作;例如對於FET和其他依賴於低壓降的主動元件,裝置之間總會出現可能影響性能的特徵變化。這意味著使用批次處理方式進行批次測試(batch testing)是值得的,以確保任何變化都不會影響終端系統運作。

使用SPICE模擬器來模擬設計的一些簡單部分,比如在極端溫度和高壓範圍內進行測試,這樣在大量生產時就可以避免很多問題。

第十一:發射器脈衝

當發射器開啟時,低功率無線電裝置會處於最大功率狀態。盡可能減少必須傳輸的資料量,使「開啟」時間最短,比如可以使用二進位或以.zip格式壓縮較大的檔案來減少資料量。

在開發智慧家庭產品、遠端監控裝置或許多其他物聯網解決方案時,我們的嵌入式設計顧問在設計低功耗系統時始終會考慮以上11個注意事項。

編譯:Jenny Liao, EDN China

(原文刊登於EDN姊妹刊,ASPENCORE旗下EEWeb網站:Top 11 Tips for Saving Power in Low-Power Wireless Radio Systems ,by Paul Matthews;本文作者為具備40年資歷的軟硬體設計工程師)