קרנות של צריכת האנרגיה של Bluetooth בלבושות

טכנולוגיה לובשת מטילה תקציבי חשמל מחמירים: מנטר כושר או שעון חכם חייב לפעול לעתים קרובות במשך ימים או שבועות על סוללה זעירה.מודול Bluetooth הוא צרכן אנרגיה ראשוני, האחראי לשידור פרסומות, סריקה, הקמת קשרים, ולהעביר נתונים של חיישן.

(ה) צריכת החשמל של Bluetooth מחולקת בדרך כלל לשלוש מדינות: FLT:0.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.5 במקרים פעילים, כוח האדם אינו יכול להיות חלק מ-0.5 מ'(A) ל'=') ל'(=') ל'='''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''

Bluetooth אנרגיה נמוכה (BLE) הוצגה ב- Bluetooth 4.0 במיוחד כדי להפחית את הזרם הממוצע.בניגוד לכחול הקלאסי (BR/EDR), BLE משתמשת במודל חיבור ממוחזר חובה: מכשירים מחליפים נתונים בהתפרצויות קצרות במרווחים החל מ 7.5 מ"מ ל-4 s.הרווח הקשר הארוך יותר, ככל שהממוצע - אך עלייה משמעותית של מעצבים חייב לסחור בתגובתיות עבור כוח.

(ב) [17] (ב) ,ב[[1924]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]

בחירת צ'יפסט ואדריכלות

[ה]המצע קובע את הבסיס ליעילות האנרגיה.התכנונים המודרניים (המכונים SoCs) משלבים מיקרו-בקר, טרנסג'נדרים רדיו, ופריפריה שונים על מוות יחיד.

כאשר בוחרים צ'יפס, חשוב:

  • (ב) ,0) , צריכת התפוקה הנוכחית של ה-FLT:1 בסמכויות תפוקה רלוונטיות (בדרך כלל מתחת 5 מ"א ל-0 dBm TX ו- 4 mA עבור RX).
  • (ב) ,0) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ,0) ,R) , התגלות מהירה מאפשרת חלונות קצרים יותר להאזנה, צמצום פסולת קשבת.
  • (FLT:0) ממירל DC-DC משולב 1FLT 1 - רבים SoCs כוללים ממירב פנימי שמשפר יעילות, במיוחד כאשר פועל מתא מטבע V 3 או Li-Po סוללה.
  • (FLT:0) לפרטים עבור BLE 5.x תכונות ההרחבה: LE Coded PHY מרחיב טווח אך מגביר את העוצמה; 2M PHY מקטין את הזמן באוויר; הרחבות הפרסום מאפשרות יותר נתונים באותה מחזור חובה.

לדוגמה, ה- 8.2 mA Tx ב- +8 dBm הוא טיפות ל-4.8 mA על-ידי Nordic מספק 8.2 mA Tx ב +8 dBm, אך ב-0 dBm הוא טיפות ל-4.8 mA על-chip DC-DC מגביר את היעילות מ- 3 V אספקת ה- V.The FLT:2F2FLT 3 מ-Ax מעל ל-1.6 ו-Ax עבור מספר 5.9A.

זה גם קריטי להעריך את האנטנה (FLT:0)Radio Frequency (RF) Front-endcioFLT:1 . אנטנה מכוננת היטב (למשל, עקבות של FR4 או אנטנה שבב קרמיקה) מצמצם את ההפסדים הלא מתאימים.שימוש ברשת התאמה עם רכיבים נמוכים יכול לשפר את הכוח המוקרן ולהקטין את התפוקה הנדרשת, בדומה לתכנון קרקע טובה, ומשתפר את רמות הפחתת הרגישות של RX.

מצבי שמירה על כוח ואדריכלות שינה

מכשירים לבישים מבלים את רוב הזמן שלהם ב-idle או עומד, ולכן ניהול השינה הוא חשוב ביותר.

  • <חזק>System Off (Deep Sleep): אופציונלית לשימור RAM, זרם טיפוסי < 1 μA. Wake-up רק מהפרעות חיצוניות (למשל, כפתור, חיישן תנועה).
  • (הופנה מהדף RTC)אנדרל 1: שעון CPU הפסיק, טיימרים וכמה היקפים פעילים.
  • (FLT:0)Standby with BLE Link MaintenanceFIRLT:1): הרדיו מתעורר בקצרה במרווחי חיבור כדי לטפל בחפיסות שמירה.זהו הליבה של ניתוח כוח נמוך.

מעצבים צריכים ליישם מכונה של תפוצה:0state MachineFLT:1 אשר משנה את המכשיר משינה עמוקה לקריאה פעילה חיישן, פרסום לקוי / חיבור, ובחזרה, במהירות האפשרית.לדוגמה, מד תאוצה יכול להעיר את MCU, אשר קורא החיישן, משדר נתונים בהודעה אחת, וחוזר לישון בתוך 20 מ"מ קצר כזה יכול להפחית באופן דרמטי את ההתפרצות הנוכחית.

טכניקה נוספת היא (FLT:0 ⁇ data extension extension (DLE)FuaLT:1 ו-FLT:2packet bundlingpieFLT 3 במקום לשלוח כל דגימת חיישן כחבילה נפרדת, לצבור דגימות מרובות לתוך חבילה אחת גדולה יותר.זה מקטין את מספר אירועי החיבור ובכך את זמן הרדיו-on.

המונחים: mitation

פרמטרים של חיבור לקוי הם משא ומתן במהלך הגדרת החיבור, ניתן לעדכן מאוחר יותר.הפרמטרים המרכזיים הם מרווחי מרווחי חיבור:0 חיבור, נדיבות עבד, והשגחה על זמן קצר 1LT.

  • (הפסקה:0) מרווחי זמן (CI)FLT:1) - באיזו תדירות המאסטר שולח אירוע חיבור.רווחים קצרים (למשל, 7.5 מ's) להפחית את הסבלנות אך מגביר את הכוח, כי העבד חייב להתעורר לעתים קרובות.
  • (FLT:0) ,Slave latencyFLT:1 - מאפשר לעבד לדלג על מספר אירועי חיבור מבלי להיות מנותק.קביעת עצלות עבד גבוהה (למשל, 8-10 מאפשר החיישן ללכת לישון לתקופות ארוכות יותר, מתעורר רק כל אירוע Nth.זה יעיל מאוד עבור חיישנים תקופתיים כמו צגים לב.
  • (FLT:0) זמן סופרוויזיוני (Supervision TimeoutFLT:1) - הזמן המקסימלי ללא אירוע חיבור לפני הקישור נחשב אבוד.חייב להיות גדול יותר (CI * (שלל עצלות + 1) * 2) ללבושים בתנועה (למשל, שעונים ריצה) עשוי לדרוש זמן קצר יותר כדי לזהות ניתוק, אבל זה מגביר את הכוח עקב תכופים תכופים יותר.

מחסניות רבות אפשריות מאפשרות לעבד לבקש עדכונים פרמטרים.המפתח יכול ליישם פרמטר פרמטר פרמטר דינמי (FLT:0דינמית פרמטר פרמטר פרמטר פרמטר פרמטר פרמטר פרמטר פרמטר פרמטר הסתגלות FLT:1 מבוסס על מצב המכשיר: פרמטרים אגרסיביים במהלך זרימת נתונים פעילים, פרמטרים רגועים במהלך תקופות של idle.

פרסום וסורק כוח אופטימיזציה

(ב) לטלפונים אשר מבלים זמן רב (למשל, משואות) או חייבים לסרוק עבור טלפונים חכמים, פרסום וסריקה לצרוך כוח משמעותי.סוגים פרסום בלתי אפשריים כוללים:0 המחוברים ללא עקיפים (ADV IND)FLT:1, FLT:2non-connectable (ADV unconn IND)FLT 3, ו-F4) תשובות LT5:

  • (FLT:0) מניעת מרווחי זמן מפסקי זמן 1:1: 20 מ"מ עד 10.24 מרווחים ארוכים יותר לחסוך כוח, אך להאריך את זמן הגילוי.
  • (הופנה מהדף LT:0) מניעת ערוצים: אפשרות פועלת בשלושה ערוצי פרסום (3, 38, 39) שליחת כל שלוש המהימנות הממקסימה, אך עולה שלוש פעמים את הכוח.
  • (FLT:0) מעגל חובה (FLT:1): האפליקציה על המכשיר המרכזי (למשל, סמארטפון) יכולה להתאים את חלון הסריקה ואת המרווח שלה.עבור היקפים שניתן ללבוש שאינם לסרוק, כוח אינו מושפע ישירות, אבל הצד המרכזי צריך גם להיות יעיל.
  • (FLT:0) פרסום אקסטנד 1 (BLE 5.0) מאפשר חבילות פרסום להיות נשלח על ערוצים ראשוניים ומשניים, המאפשרים תשלום ארוך יותר וטוב יותר באמצעות חישוב תוך שמירה על בקרת מחזור החובה.

לדוגמה, משואה שידור כל 1000 מ"ג עם 0 dBm פלט לצרוך בערך 30-50 μA ממוצע (כולל שינה מעל הראש) הפחתה של 2000 מ"מ בממוצע הנוכחי ל 15-25 מיקרוA. עבור מנטר כושר המפורסם רק כאשר המשתמש רוצה לסנכרן, הפרסום יכול להיות כבוי לחלוטין במהלך השינה.

תוכנות תוכנה ותוכנות

חומרה היא רק חצי מהסיפור; אופטימיזציה קושחה יכול להפחית משמעותית את שואבת החשמל.

משימה יעילה שמחק

השתמש ב-FLT:0.02sFLT:1 (למשל, FreeRTOS או Zephyr) עם משימות של idle-aware.המשימה המזויעה צריכה להפעיל את מצב השינה העמוק ביותר העומד בדרישות של התעוררות.

חיישן Data Preמעבד

במקום לשלוח נתוני חיישן גבוה על פני BLE, לעבד נתונים על MCU. לדוגמה, a 3-axis accelerometer at 100 הרץ מייצרת 600 דגימות / השניות.

בקרת כוח הסתגלות

יישום (FLT:0) של RF Output Power ControlFLT ( 1:1 המכשיר יכול למדוד את כוח האות המתקבל (RSSI) מהמכשיר המרכזי ולהתאים את טווח ה- TX שלו עצמו (למשל, טלפון בכיס) צריך רק 0 dBm או פחות; טווח רחוק עשוי להיות צורך +4 dBm או יותר.

אחסון לא-Volatile Storage Usage

כתיבה לפלאש (למשל, עבור יומני נתונים היסטוריים) צורכת 5-20 mA עבור 5 מ"ס בעמוד. Batch כותב ושימוש ב- RAM buffer יכול להפחית מחזורי פלאש.וודא כי הבזק כותב נעשה רק כאשר הרדיו הפעום אינו כבוי או בזמן השינה, לא בעת שידור.

עיצוב אנטנה וביצועי RF

אנטנה לא יעילה מאלצת את המשדר הBLE לפצות על כוח התפוקה גבוה יותר, ניכוי חיסכון באנרגיה.במכשירים לבישים, האנטנה היא לעתים קרובות מחוספסת על ידי גורם קטן, קרבה לגוף האנושי (אשר סופג RF), ושילוב עם רכיבים אחרים (למשל, מסטיקה מתכת, כבלים תצוגה).

(הופנה מהדף ה-PCL) (FLT:0) אנטנות צ'יפ (FLT) 1:1 (למשל, יוהאן, Fractus), FLT:2PCB אנטנות קונדר (SPCB) 3, ו-FLT:4 מדפיס מעגל מודפס (FPC) אנטנות FLT:5 לכל אחד יש סחר בגודל רוחב פס, ו- לדוגמה, ל- ERP יכול להשיג יעילות סטנדרטית של 02.

מהירויות מטוס קרקעיות, התאמת רשת כוונון, ומיקום הרחק מסוללות וחיישנים הם קריטיים.מעצבים צריכים לדמות באמצעות כלים כמו ANSYS HFSS או CST, ולאחר מכן לאמת עם בדיקות תא nechoic. אנטנה מעוצבת היטב יכול להפחית את המערכת הכוללת הנוכחית על ידי 0.5-2 mA במצב פעיל.

אנרגיה קצירת אנרגיה ורב-Source Power Management

למרות שההתמקדות בעיצוב Bluetooth יעיל באנרגיה, שילוב של קצירת אנרגיה יכול להאריך את חיי הסוללה ללא הגבלת זמן עבור דל-דוטי-מחזוריים של אופניים.מקורות נפוצים: FLT:0solar תאיםphFLT:1 (עבור מכשירים חד-פעמיים), FLT:2thermoelectric גנרטורים FLT 3: 3 (חום), או מחסנים:4,4 מעלות צלזיוס)

(המודולים של Bluetooth התומכים ב- 0) ניהול כוח ICs (PMICs) 1FLT:1 עם LIFLT:2maximum כוח מעקב (MPPT) Power Management ICs (PMICs) יכול לגבות ביעילות supercapacitor קטן או Li-Po סוללה. Some BLE SoCs כמו N53RF40 נבנו-inFLT:4power רגולטוריs:5 אספקת חומרים מ-F:5 יכול להפעיל רק חומרים מאנרגיה משתנה.

גם ללא קציר מלא, אספקת מתח בקנה מידה דינמי (FLT:0) אספקת מתח בקנה מידה גדול יותר (FLT:1) יכול להפחית את הכוח. רבים SoCs לרוץ מ 1.8 V עד 3.6 V. ריצה במתח הנמוך ביותר (למשל 1.8 V) מורידה את צריכת החשמל הדיגיטלית.

בדיקה ואימות של צריכת אנרגיה

כדי להבטיח מטרות עיצוב יינתנו, בדיקת כוח קפדנית חיונית. השתמש ב-FLT:0 (היתר על הדעת) לנתח את ההרחבה של כוח ניתוחי כוח (למשל, Keysight N6705B) או ב-FLT:2low-הווה כלי מדידה נוכחית מדידה, כגון The Nordic Powerפרופיל II. המדידה צריכה ללכוד ממוצע על מחזורי שימוש: חיישן קריאה, פרסום, קשר עמוק, העברת נתונים ושינה עמוקה.

מדדים מרכזיים:

  • <חזק>ממוצע הנוכחי ב-idle (שינה עמוקה) - יעד < 2 μA.
  • (ב) ,0) ,בהמשך הטבלה (בקיצור: ).
  • (ב) אין צורך בפרשת תהילים (ב) ב-[[1875]], שלא יעלה על פני אספקת סוללות בטמפרטורה נמוכה.
  • (ב) [15] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

בדיקות ריאליסטיות כוללות גם את התפוקה של קיבולת של כוח calibrationFLT ( 1:1) כדי להבטיח שהמכשיר אינו מתואם יתר. השתמש בניתוח ספקטרום עם מדידה של כוח ערוץ.בדיקות ציות רבות (למשל, FCC, CE) דורשות כי המשדר לא יעלה על הגבולות; מערכת פסולת עיצוב יתר מופעלת יתר עלולה להיכשל.

מחקר אמיתי: BLE Heart Rate Monitor

צג קצב לב אופייני של חזה משתמש מודול BLE (למשל, nRF52832) ומעביר קצב לב (HR) באמצעות פרופיל קצב הלב.המכשיר מדגים את HR ב 1 הרץ, buffers 1 מדגם, ושולח הודעה כל 1 שנייה. עם מרווח של 30 מ"מ וכבדות עבד של 8 (באופן יעיל מתעורר כל 240 מ"מ), ממוצע נמדד ל- 20 ימים (A) מ- 30 ימים בממוצע, 000) מ"מ- 30 מטר) עם זאת, 000) עם זאת, 000 שעות רצופות (A) = C).

זה ממחיש כיצד קידוד פרמטר זהיר יכול להכפיל את חיי הסוללה ללא שינויים בחומרה, שיפורים נוספים יכולים לבוא משימוש ב-FLT:0.2M PHYIRFLT:1 (BLE 5.0) כדי להפחית את זמן ההודעה ברדיו עד מחצית.

מגמות עתידיות ב- Ultra-Low-Power Bluetooth

(הופנה מהדף ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

כיוון מבטיח אחר הוא (FLT:0) Bluetooth meshcioFLT:1 עבור רשתות חיישן כוח נמוך. in mesh, nodes יכול לישון סינכרוני, מתעורר רק במערה להעביר נתונים.זה מאפשר תקופות חיים מרובות חודשים עבור צמתים שרק לעתים רחוקות מדווחים.

התקדמות חומרה ב <חזק>silicon-on-inulator (SOI) CMOS ו <חזק>Ferroelectric RAM (FeRAM) הם צמצום הדליפה הנוכחית וכותבים אנרגיה, מה שהופך את הכוח לעמוד על אפס כמעט אפס אפס יכול. כמה ספקים כבר להרוס שבבים BLE עם < 100 nA שינה נוכחית.

לבסוף, ה-FLT:0.AI-Asted Power ManagementFearsph1 מתפתח: ערימה BLE יכולה ללמוד דפוסי שימוש (למשל, מכשיר הוא שוחק במהלך היום, בלילה) ולהתאים את עומק השינה ואת הפרמטרים הקשורים בהתאם.זה אופטימיזציה של קישור יכול לחתוך כוח ממוצע על ידי 20-30% נוספים.

מסקנה

תכנון מודולים Bluetooth יעילים לאנרגיה עבור טכנולוגיה לבישת דורש גישה ברמת מערכות. החל עם SoC שיש לו זרמי פעילות ושינה נמוכים, מהנדסים חייבים לייעל פרמטרים של חיבור, לוחות זמנים פרסום, ומשימה קושחיקה. יעילות אנטנה, ניהול חשמל, וטיפוח חכם חיישן נוסף שבבים נוספים בתקציב הכוח.על ידי יישום האסטרטגיות המתוארות במאמר זה - ממבחר BLE לשליטה באנרגיה דינמית ובדיקה - יכול להשיג מפתחי לחץ מיידיים, אפילו חודשים ללא שינוי, אפילו, אפילו, באופן שיטתי, עם ניסיון מוצלח, עם ניסיון מוצלח, באופן שיטתי, עם ניסיון מוצלח, עם חודשים ללא שינוי יעיל, או קבוע, הוא בעל השפעה, עם ניסיון מוצלח, על ידי יישום של זמן קצר על פני זמן קצר על בסיס קבוע, על ידי יישום שיטות קבוע, על ידי יישום אסטרטגיות קבוע, על ידי יישום אסטרטגיות קבוע, על ידי יישום אסטרטגיות קבוע, על ידי יישום של זמן קצר על ידי יישום שיטות עבודה, על ידי יישום של שימוש.

(ב) לקריאה נוספת על אופטימיזציה של כוח Bluetooth, מתייחס ל-Ul:0 Bluetooth SIG BLE Power Optimization Guide (SIG) BLE Power Optimization GuideFLT:1 והערות היישום של FLT:2Nordic Semiconductorpherph 3 ו-FLT:4Texas Instruments BLE Con AnalysisFLT:5 נוסף, The FLT:6Ration Engineers on , venterektive, , LT, and Analerative Systems for Analeration Professional for Analtative Systems for Analeration Professional for Analeration, and Analtance, and אנטנה 7.