Antallet af tilsluttede IoT-enheder forventes til springe til 125 milliarder i 2030. Dette er ikke svært at tro på, som globale IoT-udgifter nåede 745 mia. $ i 2019. På denne baggrund er elektronikdesignere under pres for at optimere design, især når det kommer til batterilevetid.
I denne artikel tilbyder Dunstan Power, direktør for ByteSnap Design, indsigt i vigtige overvejelser ved design af trådløse radiosystemer med lav effekt.
Balancegangen
At reducere en enheds strømforbrug, mens du forsøger at opnå det ønskede niveau af funktionalitet, er et af de mest udfordrende aspekter ved design med lav effekt. Enhver vellykket trådløs enhed med lav effekt, der i øjeblikket er tilgængelig, er resultatet af en vellykket balancehandling, hvor udviklerne har afvejet deres prioriteter og lavet en række kompromiser, der har resulteret i en fungerende enhed.
Softwaredesign
Systemvalg foretaget i starten af et projekt dikterer, hvad der kan opnås. Design til lav effekt fra starten anbefales, hvor den første overvejelse er den type radio, der skal implementeres. Valget er stort fra radioer med kort rækkevidde, som ZigBee, Thread, Bluetooth og Wi-Fi til langrækkende laveffektradioer, inklusive LoRa, SigFox og Weightless, og cellulære radiosystemer.
Nogle radiobølgelængder formerer sig meget bedre end andre, hvilket betyder øget effektivitet. Lavere frekvenser har en tendens til at udbrede sig bedre end højere frekvenser, men kompromiset er, at den potentielle datahastighed reduceres. Højere frekvenser har tendens til at dække kortere afstande, men har højere båndbredde og hurtigere transmissionshastigheder. Jo længere afstandssignalerne skal køre, jo langsommere er den hastighed, du generelt kan bruge.
Overvej også radiosystemets topologi - dette kan øge systemets effektivitet og hastighed, når det styres korrekt. Stjernetopologier er ideelle, når masterenheden ikke er batteridrevet og er i stand til at styre netværksbelastningen alene. Alternativt, hvor alle enheder har lav effekt, kan et mesh-netværk med flere repeatere være mere passende.
Valget af mikrocontroller er normalt ligetil, og en designer vil typisk have en familie / producent, som de kender. De fleste små processorer i disse dage - PIC-, AVR-, ARM-baserede - har tilstande med lav effekt, der kan bruges til at reducere den krævede effekt under drift. De stoler på en afbrydelse for at vække dem igen. Mange af disse har også et hurtigt vækningssystem for at holde tiden til et minimum og dermed reducere den anvendte strøm.
Rækken med trådløs strøm betyder, at valg af batteri varierer på tværs af hvert projekt. Men når radiosystemet kræver sjældne strømudbrud, eller hvis batteriet skal være genopladeligt, er mulighederne ofte hurtigt begrænsede.
Batteriproducentens datablad kan hjælpe, men de fleste viser batteriudladningskurver baseret på et konstant strømafløb og normalt ved en højere strømforbrug end et system med lavt strømforbrug vil bruge. Nogle interpolationer skal bruges til at finde ud af, hvad der vil ske i et laveffektsystem.
Også radiosystemer som dette har en tendens til at bruge minimal strøm, mens de sover, og kræver derefter store strømimpulser, når de er vågen til modtagelse og transmission. Nogle batterier er ikke egnede til dette.
Miljøfaktorer påvirker også valg af batteri og deres anvendelse. Et koldt miljø reducerer batteriets spænding og enhedens samlede brugbare batterilevetid. Høje temperaturer kan også påvirke nogle batterier negativt.
Processen med valg af batteri er derfor iterativ. For at finde den bedste kandidat er det værd at prøve nogle få typer, der passer til specifikationerne. Denne tabel viser nogle få egenskaber ved nogle almindelige batterityper:
Type | Cellespænding | Energitæthed | Typisk afladningstemperaturområde (°C) | Standby levetid | Genopladeligt? | Maks. Strøm |
Li Ion | 3.6 | Høj | 0 - 50 | Lav | Ja | Høj |
alkalisk | 1.5 | Høj | -18 - 55 | Høj | Ingen | Medium |
NiMH | 1.2 | Lav | -20 - 65 | Lav | Ja | Høj |
Li møntcelle | 3 | Lav | -30 - 60 | Høj | Nej (normalt) | Lav |
LiSoCl2 | 3 | Høj | -80 - 125 | Meget Høj | Ingen | Høj |
Når batteriets valg er foretaget, skal et afskæringspunkt bestemmes. For ultra-low-power-systemer generelt kræves ekstra forsigtighed med komponenter, hvis ydeevne ændres med spænding. LCD-skærme og lysdioder har for eksempel batterier, der kan falde så langt, at kontrasten forsvinder, eller lysdioderne slukkes. For at få den bedste brugeroplevelse skal du sikre dig, at den batterispænding, du arbejder ned til, er nok til at holde dem i drift.
Hvis systemet kræver en indgangsspænding (når afskæringspunktet nås, mens batterierne stadig har brugbar kapacitet tilbage – f.eks. hvis et nominelt 3V-system afbryder ved 2.5V), så kan en boostregulator være nødvendig. Der er dog kompromiser at overveje ved at gøre dette:
· Hvilken spænding skal regulatoren indstilles til?
· Hvad er effektiviteten af regulatoren, og hvordan varierer den med indgangsspændingen?
· Hvad sker der, når indgangsspændingen er højere end den indstillede spænding, dvs. når nye batterier sættes i?
· Ophæver den strøm, der spildes af regulatoren på grund af ineffektivitet, enhver kapacitetsforøgelse?
· Kunne en boost-konverter fuldt ud udnytte batteriets kapacitet ved at dræne det til en spænding, under hvilken systemet ville slukke?
Hardware Design
Minimer pull-ups og andre designtip
Trådløst radiosystemdesign med lav effekt kræver opmærksomhed på detaljer, der let ignoreres i enheder, hvor strømforbruget er uvigtigt.
Med normale, strømforsynede systemer behøver du ikke bekymre dig om elementer som strømlækage gennem pull up-modstande. I laveffektsystemer kan dette strømforbrug blive et problem. Det er her nogle af kompromiserne kommer ind:
Indstil antennen
Selvom rækkevidde er vigtigt i designet, skal du huske at indstille antennen. Dermed kan ingeniører minimere den nødvendige transmissionskraft for at nå det ønskede interval.
Responsivitet og vågentid
En trådløs enhed med lav effekt skal hurtigt nå en 'nyttig' tilstand. Tiden mellem brugeren, der rører ved skærmen, og systemet reagerer, er det tidspunkt, hvor baggrundsbelysningen er tændt, og hvor der trækkes strøm, hvilket muligvis nedsætter svartiden. Der er normalt en eller flere komponenter dedikeret til at vække hovedprocessoren, og det er ikke en nyttig metode til at spare på batteriet, at slukke for enheden.
Synkronisering
Mange radioenheder med lav effekt kommunikerer med hinanden for at modtage data eller instruktioner. For at dette kan ske, er det vigtigt, at modtageren er på for at modtage informationen. Begge ender skal synkroniseres og forblive synkroniserede, men vi anbefaler at minimere den brug af modtager, der kræves til dette.
I systemer, hvor to batteridrevne enheder kommunikerer, går begge ind i lavt strøm / slumretilstand for at bevare batteriets levetid. Så data garanteres ikke at komme igennem eller blive modtaget ukorrupt, hvorfor forskellige protokoller, som fejldetektering og kvitteringer, er blevet udviklet for at bekæmpe dette.
Pas på temperaturdrift
Hver aktive enhed i systemet bruger ure af en slags. Disse kan svinge med temperaturen, hvilket betyder, at det er nøglen at bemærke miljøfaktorer, der kan føre til tidsforskelle mellem aktive enheder. Det er vigtigt, at der tages højde for drift, når systemet designes, da det kan føre til en stigning i batteriets strømforbrug.
Minimer TX-strøm
Forøg ikke unødvendigt udgangseffekten ud over, hvad der er behov for - hvis radioforbindelsen kun skal nå ti meter, er det usandsynligt, at 5dB udgangseffekt kræves.
Korte sendepulser
Når senderen er tændt, er en radio med lav effekt i sin maksimale strømtilstand. Derfor er det fornuftigt at minimere det til tiden. Dette betyder at reducere mængden af data, der transmitteres.
For at minimere modtageren til tiden er fokus på mængden af data, der skal transmitteres, og hvad der kommunikeres med. Hvis systemet skal være tændt konstant, kan modtagerens n-tid minimeres, da teknikeren allerede ved, at systemet er tændt og kan sende når som helst.
Radiosystemers opdatering
Der er to måder at opdatere et radiosystem på: Manuelt, hvilket indebærer at gå ind i hver enhed og opdatere og over luften (OTA), hvor radioen selv opdaterer koden i enheden. OTA-opdateringer er generelt meget mere effektive, men der er en øget chance for, at noget går galt. Fejlsafas er derfor afgørende for at sikre, at systemet fortsat fungerer.
Batch-test
Med enheder med lav effekt, der er batteridrevet, kan du køre lige under grænsen for komponentens ydeevne. Med aktive enheder såsom FET'er, hvor du stoler på et lavt spændingsfald, vil der altid være en forskel i enhedens egenskaber, som kan påvirke ydeevnen.
Batch-test er værd at sikre, at enhver variation ikke kompromitterer enhedens funktion. For at undgå smerter under masseproduktion er det værd at simulere nogle af de enklere designaspekter ved hjælp af en SPICE-simulator, som ekstreme temperaturer og spændinger.
Og husk - brugeroplevelse og forventninger er vigtige overvejelser. En ingeniør kunne designe et fantastisk laveffektsystem, der ikke tilfredsstiller slutbrugeren, fordi de måske forventer, at det reagerer meget hurtigere, end det faktisk gør. Det er her balanceringshandlingen virkelig sker, men med de tilgængelige teknologier og erfarne ingeniører er kompromiser mulige.
(Foto af Mike Baumeister on Unsplash)
Vil du vide mere fra ledere og tankeledere i dette rum? Find ud af mere om Digital tvillingverden begivenhed, der finder sted den 8.-9. september 2021, som vil udforske øget forretningsresultater i mere dybde og de industrier, der vil gavne.
Kilde: https://iottechnews.com/news/2021/jun/17/saving-power-in-low-power-wireless-radio-systems/
- 2021
- Konto
- aktiv
- Alle
- antenne
- artikel
- batterier
- batteri
- BEDSTE
- Billion
- Bluetooth
- board
- virksomhed
- Cambridge
- Kapacitet
- kunder
- kode
- Coin
- Fælles
- forbrug
- fortsæt
- Nuværende
- data
- Design
- Designer
- Detektion
- udviklere
- Enheder
- Direktør
- afstand
- Drop
- effektivitet
- Elektronik
- ender
- ingeniør
- Engineering
- Ingeniører
- Miljø
- miljømæssige
- begivenhed
- ledere
- FAST
- Figur
- Fornavn
- passer
- Fokus
- FPGA
- Generelt
- Global
- Høj
- Hvordan
- HTTPS
- Herunder
- Forøg
- industrier
- industrien
- oplysninger
- indsigt
- tingenes internet
- iot-enheder
- IT
- Nøgle
- stor
- føre
- Niveau
- Limited
- LINK
- belastning
- Fabrikant
- Mesh-netværk
- netværk
- Tilbud
- drift
- Indstillinger
- ordrer
- Andet
- Andre
- ydeevne
- magt
- tryk
- produktion
- projekt
- Radio
- rækkevidde
- reducere
- svar
- besparelse
- Skærm
- forstand
- Series
- sæt
- Kort
- simulator
- langsommere
- lille
- So
- Space
- hastighed
- udgifterne
- Tilstand
- forblive
- vellykket
- support
- Kontakt
- systemet
- Systemer
- Teknologier
- Test
- tid
- rejse
- universitet
- Opdatering
- opdateringer
- bølgelængder
- Hvad er
- Wi-fi
- trådløs
- inden for
- Arbejde
- værd