选择正确的蓝牙低功耗SoC

2021-05-11

选择正确的蓝牙低功耗SoC

优化蓝牙低功耗（BLE）应用(yòng)以最小(xiǎo)化能(néng)耗可(kě)能(néng)是一项挑战。了解BLE和底层的片上系统（SoC）架构对于延長(cháng)電(diàn)池寿命至关重要。深入了解BLE操作模式（例如广告和睡眠）尤其重要。通过向堆栈提供正确的输入并利用(yòng)BLE SoC的硬件功能(néng)，有(yǒu)多(duō)种方法可(kě)将整个系统的功耗降至最低。

在蓝牙内部，BLE已保护了大量的插座。在无線(xiàn)设计中选择BLE的最关键原因之一是其无处不在，这要归功于它在智能(néng)手机中的广泛部署以及能(néng)够延長(cháng)電(diàn)池寿命的能(néng)力。由于大多(duō)数IoT终端节点都由電(diàn)池供電(diàn)，因此较長(cháng)的電(diàn)池寿命非常有(yǒu)价值。

尽管听起来似乎很(hěn)明显，但选择BLE设备首先要评估其文(wén)档。尽管最初的数据挖掘过程似乎微不足道，但半导體(tǐ)器件数据表的比较很(hěn)快就会变成一项复杂的任務(wù)。

如EFR32BG22 BLE SoC的这些電(diàn)源電(diàn)流图中所示，在25°C时BLE SoC的泄漏電(diàn)流与85°C或更高时的泄漏電(diàn)流有(yǒu)显着差异。从图中还可(kě)以明显看出，電(diàn)源電(diàn)流在很(hěn)大程度上取决于SoC时钟频率。此处上方的图表适用(yòng)于EM0活动模式，下方的图表适用(yòng)于EM1睡眠模式。两幅图均表示当内部DC-DC转换器与3V電(diàn)源一起使用(yòng)时的芯片電(diàn)流。点击图片放大。

例如，考虑无線(xiàn)SoC的接收或发送模式中的有(yǒu)功電(diàn)流。许多(duō)BLE SoC报告的電(diàn)流消耗為(wèi)几毫安。例如，Silicon Labs的EFR32BG22 SoC在0 dBm时的无線(xiàn)電(diàn)接收電(diàn)流為(wèi)2.6 mA，发射電(diàn)流為(wèi)3.5 mA。请注意，这些数字仅与SoC RF收发器有(yǒu)关。在SoC级别，这些電(diàn)流分(fēn)别稍高一些，分(fēn)别為(wèi)3.6 mA和4.1 mA。一个常见的错误是仅依靠无線(xiàn)電(diàn)编号来进行SoC電(diàn)流消耗。设备文(wén)档的首页通常必须通过对数据表的全面分(fēn)析进行验证。

另一个示例是以微安每兆赫兹為(wèi)单位报告的CPU功耗。在密集计算应用(yòng)程序的情况下，此数字可(kě)以成為(wèi)决定性的选择标准。通常在最佳情况下进行报告，通常是CPU的最大频率。换句话说，当SoC CPU的工作频率与制造商(shāng)文(wén)档中指定的频率不同时，数据表中显示的值可(kě)能(néng)会被证明非常不准确。

第三个例子是深度睡眠電(diàn)流，这对于電(diàn)池供電(diàn)的最终产品至关重要。这个数字通常在数百纳安到几微安之间。确保深度睡眠電(diàn)流数量与保留的RAM大小(xiǎo)相关并包括实时时钟（RTC）電(diàn)流消耗至关重要。RTC与精确的睡眠时钟源结合在一起，可(kě)用(yòng)于维持BLE正常工作所需的时序。在EFR32BG22 SoC的情况下，数据手册的首页提到了在EM2模式下的深度睡眠電(diàn)流為(wèi)1.40 µA，其中保留了32 kB RAM，并且RTC从LXCO（低频晶體(tǐ)振荡器）运行。数据表的電(diàn)流消耗部分(fēn)提供了更多(duō)信息。

因此，数据表中功率编号的缺乏标准化可(kě)能(néng)会产生错误的比较结果，从而最终导致选择错误的器件。

了解应用(yòng)程序要求

评估BLE SoC时，请考虑应用(yòng)程序要求，这一点很(hěn)重要。大多(duō)数供应商(shāng)都试图以负责任的态度来表示他(tā)们的数量，但是不可(kě)能(néng)為(wèi)可(kě)能(néng)在多(duō)种不同应用(yòng)中使用(yòng)的设备处理(lǐ)所有(yǒu)用(yòng)例。这是最终应用(yòng)程序知识变得至关重要的地方。

选择BLE SoC时，活动電(diàn)流和睡眠電(diàn)流是关键指标。必须将这些当前数字插入到与应用(yòng)环境紧密匹配的模型中，以产生对平均功耗的合理(lǐ)估计。此类模型通常包括开/关占空比，因為(wèi)知道低占空比将有(yǒu)利于具有(yǒu)最低深度睡眠電(diàn)流的SoC。高占空比将有(yǒu)利于具有(yǒu)最低有(yǒu)效電(diàn)流的SoC。

另一个参数可(kě)能(néng)是最终产品的环境温度，要了解BLE SoC在25°C时的泄漏電(diàn)流与85°C或更高温度下的泄漏電(diàn)流明显不同。高温下的泄漏電(diàn)流可(kě)能(néng)是工业应用(yòng)（例如子计量）中的关键选择标准，子应用(yòng)需要在高温下保证電(diàn)池寿命。

该应用(yòng)程序的另一个重要元素涉及所用(yòng)電(diàn)池技术的类型（在電(diàn)池供電(diàn)的最终产品中）。電(diàn)池為(wèi)集成在最新(xīn)BLE SoC中的片上DC-DC转换器供電(diàn)。使用(yòng)DC-DC转换器将显着降低整个SoC的有(yǒu)功電(diàn)流消耗。一些复杂的SoC可(kě)能(néng)集成用(yòng)于无線(xiàn)電(diàn)和CPU的单独的DC-DC转换器。这种做法提供了一种优化的解决方案，但是很(hěn)明显的趋势是只有(yǒu)一个转换器可(kě)以最大程度地降低SoC的成本。

最后，了解如何使用(yòng)片内或片外存储器也很(hěn)重要。BLE终端节点的常见要求是执行软件的空中下载（OTA）更新(xīn)。根据要传输图像的大小(xiǎo)，外部闪存设备可(kě)能(néng)很(hěn)经济。但是，事实证明，其增加的功耗和潜在的安全问题可(kě)能(néng)比使用(yòng)片上闪存时要高得多(duō)。对OTA更新(xīn)的详细分(fēn)析将有(yǒu)助于确定最合适的内存物(wù)料清单。

EFR32BG22是集成了片上DC-DC转换器的BLE SoC的示例。使用(yòng)DC-DC转换器将显着降低整个SoC的有(yǒu)功電(diàn)流消耗。一些复杂的SoC可(kě)能(néng)集成用(yòng)于无線(xiàn)電(diàn)和CPU的单独的DC-DC转换器。这种做法提供了一种优化的解决方案，但是很(hěn)明显的趋势是只有(yǒu)一个转换器可(kě)以最大程度地降低SoC的成本。

近年来，BLE SoC大大降低了其总有(yǒu)功電(diàn)流消耗，同时保持了较低的深度睡眠電(diàn)流。原因是硅技术从较大的几何尺寸（0.18 µm，90 nm和65 nm）迁移到了更优化的技术节点（55 nm和40 nm）。40 nm几何形状的使用(yòng)与片上DC-DC转换器的集成相结合，极大地降低了EFR32BG22 SoC的总體(tǐ)電(diàn)流消耗。

例如，当禁用(yòng)片上DC-DC转换器时，从片上闪存运行Coremark时，Arm Cortex-M33 CPU要求54 µA / MHz。当激活相同的DC-DC转换器时，相同的操作仅需要37 µA / MHz。

在深度睡眠模式下，RAM保留至关重要，这既因為(wèi)它可(kě)以代表功耗预算的很(hěn)大一部分(fēn)，又(yòu)因為(wèi)当BLE SoC必须返回到活动模式时，RAM保留将允许更快的启动。从设计的角度来看，低泄漏SRAM块的使用(yòng)使硅设计人员能(néng)够将深度睡眠電(diàn)流保持在1µA的范围内。选择BLE SoC时的另一个关键考虑因素是每个SRAM模块的大小(xiǎo)可(kě)能(néng)会有(yǒu)所不同。选择要保留的RAM大小(xiǎo)的能(néng)力将有(yǒu)助于最大程度地减少深度睡眠模式下的功耗。EFR32BG22 SoC集成了独立可(kě)选的SRAM块，总共32 kB的片上RAM。

最后，时钟门控和電(diàn)源门控技术的结合使BLE SoC可(kě)以根据其工作模式完全关闭设备的某些部分(fēn)。这些功能(néng)的激活是自动的，其详细信息几乎对于应用(yòng)程序开发人员是不可(kě)见的。

软件启用(yòng)

在BLE应用(yòng)中将功耗降至最低要求对无線(xiàn)電(diàn)活动进行高度优化的调度，从而在保持协议所需的精确时序的同时，将在尽可(kě)能(néng)低的能(néng)量模式下花(huā)费的时间最大化。為(wèi)了精确控制发射功率，BLE堆栈集成了DC-DC转换器的配置。堆栈通过软件开发工具包（SDK）来提供，该工具包已与集成开发环境（IDE）完全集成。IDE包含一个网络分(fēn)析器，可(kě)直接从SoC无線(xiàn)電(diàn)捕获数据。先进的能(néng)量监控器还将功耗与代码位置相关联。包含可(kě)视GATT配置器，以实现标准的蓝牙SIG配置文(wén)件或自定义服務(wù)。这些工具允许开发与硬件设计完全集成的BLE应用(yòng)程序，使开发人员可(kě)以专注于影响功耗的更高级别的设计选择。此外，SDK中还集成了安全的引导加载程序，支持通过OTA和通过串行接口进行固件更新(xīn)。

嵌入式微处理(lǐ)器基准联盟开发的IoTMark-BLE基准配置文(wén)件可(kě)以帮助评估功耗。它阐明了仿真传感器，边缘节点处理(lǐ)器和仿真网关之间的通信路径。基准测试测量為(wèi)边缘节点平台供電(diàn)和运行基准测试提供的测试所需的能(néng)量。

先进的硬件和强大的软件相结合，使应用(yòng)程序开发人员可(kě)以在多(duō)个设备上执行自己的基准测试。这是在选择BLE SoC之前应采取的推荐方法。尽管最初耗时较多(duō)，但这种方法被证明是非常有(yǒu)价值的，并且有(yǒu)助于揭示由于缺少硬件功能(néng)或软件功能(néng)不佳而导致的隐藏挑战。

标准化基准测试策略的开发还可(kě)以帮助开发人员比较多(duō)个供应商(shāng)的设备。嵌入式微处理(lǐ)器基准联盟（EEMBC）开发的IoTMark-BLE基准配置文(wén)件為(wèi)评估功耗提供了有(yǒu)用(yòng)的工具。IoTMark-BLE基准测试配置文(wén)件通过睡眠，通告和连接模式操作，对由I2C传感器和BLE无線(xiàn)電(diàn)组成的真实IoT边缘节点进行建模。

尽管此IoTMark-BLE基准测试可(kě)能(néng)并不适合所有(yǒu)用(yòng)例，但它可(kě)以作為(wèi)為(wèi)任何给定应用(yòng)程序开发适当方案的基础。

简而言之，对供应商(shāng)数据表的并排比较可(kě)能(néng)会导致代价高昂的误解和错误陈述。BLE SoC的分(fēn)析必须在系统级进行，如比较SoC中的板载和外部DC-DC转换器模块时所示。第三方基准通常可(kě)以帮助确定比较分(fēn)析的外观。