低功耗无线电系统节能的 11 个重要技巧

时间：2023-08-16

物联网 (IoT) 是“本月流行趋势”，包含大量连接到互联网的低功耗无线电设备。这些设备需要精心设计，以延长电池寿命、减少对环境的影响并限度地提高制造商利润。
降低无线电系统功耗时我们主要考虑的 11 个因素如下：
  系统选择
使用的无线电类型取决于几个因素——主要是数据速率、通信范围和运营成本。选项范围相当广泛，从短程 ZigBee、Thread、蓝牙和 Wi-Fi 到远程低功耗无线电（如 LoRa 和 SigFox）或蜂窝解决方案。
   波长
某些无线电波长的传播效果比其他波长好得多，并且这种传播可能与功率效率的提高有关。通常，较低的频率比较较高的频率传播得更好，但妥协的是可能的数据速率较低。例如，2.4-/5-GHz频段的测量距离为数十米，但每秒可以传输数百千比特的数据，而sub-GHz频段的测量距离为数百米，甚至公里，但只能传输每秒几千比特的数据。无线网状网络通过在节点之间跳跃数据来延长传输距离。
   微控制器睡眠电源
有大量的微控制器声称是低功耗的。然而，有些仅具有非常低功耗的睡眠状态，而另一些则在运行时也处于低功耗状态。设备睡眠的频率会影响关键参数。如果您的设备通常处于睡眠状态，请查看深度睡眠功耗；然而，如果它始终处于唤醒状态（例如，监听网络），那么运行功耗就是关键。
电源
功率是受限设备的一个关键考虑因素。一旦您确定用户可更换电池（AA、AAA 等）或可充电电池（例如 Li-Po）是否适合该产品，就需要进行大量优化。环境因素（严寒或酷热）会对寿命产生很大影响，电池放电曲线也是如此。低功率无线电往往在睡眠时使用很少的功率，然后在清醒时使用大电流脉冲进行接收和传输——某些类型的电池可能无法很好地处理这种使用模式。
  引体向上和其他设计技巧
低功耗无线电系统设计需要注意无线电电路之外的细节，例如上拉电阻。这些需要进行优化，以限度地延长电池寿命；例如，通过添加 FET 等有源组件来打开和关闭器件和上拉电阻。
如果您决定在设计中使用 FET，请仔细选择。即使您可能只消耗几毫安的电流，您也会发现额定电流为几安培的较高功率设备将具有较低的 Vf（正向电压），这意味着 FET 开启时浪费的功率更少。
   电子表格
使用电子表格对于确定应该做出哪些妥协以使设计可行非常有用。
电子表格可用于了解传输或接收时序的妥协如何影响电池寿命以及传输应持续多长时间，并确定稳压器在电压范围和电流要求方面的效率。
  功率测量
标准万用表的采样率较低，会错过与传输相关的短射频脉冲。使用具有数学功能的示波器或高频万用表进行功率测量。或者，使用电度表对长时间内的功率进行求和。
    天线调谐
如果范围很重要，请记住调整天线。这可以限度地提高您所拥有的资源，而无需增加系统的功率预算。
发射功率
不要不必要地提高输出功率超出您的需要。例如，如果您的无线电链路必须跨越 10 米，则不太可能需要 5 dB 输出功率，而且只会浪费电力，从而缩短电池寿命。
    批量测试
使用电池供电的低功耗设备，您可以在接近组件性能极限的情况下运行。例如，对于 FET 和其他依赖于低电压降的有源器件，器件之间的特性始终存在差异，从而可能影响性能。这意味着值得对大批量进行批量测试，以确保任何变化都不会影响终系统的运行。
使用 SPICE 模拟器对设计的一些更简单的方面进行模拟（在极端温度和电压下运行测试）同样可以减轻批量生产中的痛苦。
  发射器脉冲
当发射器打开时，低功率无线电处于功率状态。通过限度地减少必须传输的数据量（可以使用二进制文件或使用 .zip 格式压缩较大的文件）来限度地减少“开启”时间是有意义的。
在开发智能家居产品、远程监控设备或一整套其他 IoT 解决方案时，当需要低功耗时，我们的嵌入式设计顾问始终会考虑上述 11 个注意事项。

上一篇：了解低功耗蓝牙中的安全密钥

下一篇：WTF（无线技术基础）：波力学 I