解读一款用纽扣电池就可10年待机的蓝牙SoC

文章作者：安森美市场经理Bob Card

在许多小型便携式物联网应用中，设计工程师的最终挑战是在使用单枚纽扣电池工作十年的同时提供可靠的无线连接。

这并非易事，大多数廉价的纽扣电池只能提供约240mAh的容量。但是，本设计说明表明，通过选择具有低睡眠模式的无线片上系统（SoC），有可能在短距离和长距离无线连接上实现十年目标。

如果应用程序只能利用240mAh的能量，则无线设备必须将大部分时间用于睡眠，仅偶尔唤醒以进行无线传输（请参见图1）。例如，7 ms的唤醒时间，5s的发送间隔和每小时120次无线传输动作的占空比为0.14％的唤醒时间和99.86％的休眠模式。这说明了为什么无线电SoC在休眠模式下消耗非常低的功率至关重要。

图1：休眠模式占空比

对于通过短距离或中距离链路（通常长达50m）工作的电池供电应用，蓝牙LE无线电技术是首选。对于超过1000m的远距离传输，安森美半导体的AXM0F243无线微控制器支持Sub 1GHz软件定义无线电（SDR）技术。

广告模式

蓝牙LE无线电使用2.4GHz频段，拥有40个频道，间隔为2MHz。其中保留了三个RF通道（37、38和39）用于广告功能，这些功能允许发现附近的设备。通道0-36保留用于数据传输。广告频道占据频谱的不同部分，以抵消来自802.11或Wi-Fi无线电传输的干扰（参见图2）。

图2：蓝牙LE广告频道（来源：Accton Marketing）

广告包的数据单元称为协议数据单元（PDU），具有两字节的报头，用于指定数据有效载荷的类型和长度，最多37字节（广告地址为6字节，数据为31字节）。

可连接和不可连接的传输

蓝牙LE广告数据包可以是“可连接的”或“不可连接的”。图3显示了通过功率分析仪测量的安森美RSL10片上系统（SIP）无线SoC的操作，并显示了可连接（左）和不可连接（右）广告事件，均在0dbm发射功率下。

虽然两个事件都使用通道37、38和39，并且持续7毫秒，但可连接事件包括每个通道的接收脉冲。这是有道理的，因为可连接事件也旨在接收传入的传输。所得的功率分析仪测量结果揭示了每种传输类型的平均电流：可连接事件为711.624µA，不可连接事件为504.307µA。

此外，RSL10 SIP的深度睡眠电流为160nA，RAM中保留了16kbytes的数据以用于蓝牙LE协议栈，并运行一个内部计时器来唤醒自己。

图3：传输可连接和不可连接数据包的功耗

RSL10 SIP电池寿命

图4证明，在上述条件下，基于RSL10 SIP的系统的实际电池寿命从2.5s广告间隔的可连接传输的10.97年到5s广告间隔的不可连接传输的27.26年。这些计算假设使用240mA CR2032纽扣电池和5字节的PDU。

图4：使用RSL10 SIP应用的实际电池寿命

对于更长距离的无线传输，安森美半导体的AXM0F243窄带SoC实现153dB的链路预算，并且在915MHz频率下以30dB的衰减工作时，可以传输37公里（23英里）的距离。对于1.1公里范围内的传输，AXM0F243可以超过所需的10年电池寿命（见图5）。

图5：基于AXM0F243 SoC的远程应用的实际电池寿命

因此，使用正确的无线电SoC，完全有可能在短距离或长距离范围内达到10年的电池寿命。