接続されるIoTデバイスの数は次のように予測されます。 125年までに2030億に跳ね上がる。世界的な IoT 支出を考えると、これは信じるのが難しくありません。 745年に2019億ドルに達した。このような背景から、エレクトロニクス設計者は、特にバッテリー寿命に関して設計を最適化するというプレッシャーにさらされています。
この記事では、ByteSnap Design のディレクターである Dunstan Power が、低電力無線無線システムの設計における重要な考慮事項についての洞察を提供します。
バランスをとる行為
必要なレベルの機能を達成しながらデバイスの消費電力を削減することは、低電力設計の最も困難な側面の XNUMX つです。 現在入手できる成功した低電力ワイヤレス デバイスはすべて、開発者が優先順位を比較検討し、一連の妥協を行って機能するデバイスを実現する、バランスのとれた作業の結果です。
ソフトウェア設計
プロジェクトの開始時に行うシステムの選択によって、何が達成できるかが決まります。導入する無線のタイプを最初に考慮して、最初から低電力向けに設計することをお勧めします。 ZigBee、Thread、Bluetooth、Wi-Fi などの短距離無線から、LoRa、SigFox、Weightless などの長距離低電力無線、およびセルラー無線システムまで、幅広い選択肢があります。
一部の無線波長は他の波長よりもはるかによく伝播します。これは、電力効率が向上することを意味します。 低い周波数は高い周波数よりもよく伝播する傾向がありますが、潜在的なデータ レートが低下するという妥協点があります。 周波数が高くなると、カバーできる距離が短くなる傾向がありますが、帯域幅が広くなり、伝送速度が速くなります。 信号の到達距離が長くなるほど、一般に使用できる速度は遅くなります。
無線システムのトポロジも考慮してください。適切に管理すると、システムの効率と速度が向上します。 スター トポロジは、マスター デバイスがバッテリー駆動ではなく、単独でネットワーク負荷を管理できる場合に理想的です。 あるいは、すべてのデバイスが低電力である場合には、複数のリピータを備えたメッシュ ネットワークがより適している可能性があります。
マイクロコントローラーの選択は通常は簡単で、設計者は通常、よく知っているファミリー/メーカーを選択します。 最近のほとんどの小型プロセッサ (PIC、AVR、ARM ベース) には、動作中に必要な電力を削減するために使用できる低電力モードがあります。 彼らは再び目覚めるために割り込みに依存します。 これらの多くは、オン時間を最小限に抑え、消費電力を削減する高速ウェイクアップ システムも備えています。
低電力ワイヤレスの範囲は、バッテリーの選択がプロジェクトごとに異なることを意味します。 ただし、無線システムがまれに電流のバーストを必要とする場合、またはバッテリーを充電可能にする必要がある場合、多くの場合、選択肢はすぐに制限されます。
バッテリーメーカーのデータシートが役立ちますが、ほとんどの場合、定電流ドレインに基づいたバッテリーの放電曲線が示されており、通常は低電力システムが使用するよりも高い電流が消費されます。 低電力システムで何が起こるかを把握するには、何らかの補間を使用する必要があります。
また、このような無線システムは、睡眠中に最小限の電力を使用し、覚醒時に送受信のために大きな電流パルスを必要とする傾向があります。 一部のバッテリーはこれに適していません。
環境要因もバッテリーの選択とその使用に影響を与えます。 寒い環境では、バッテリーの電圧が低下し、デバイスの全体的な有効バッテリー寿命が短くなります。 高温は一部のバッテリーに悪影響を与える可能性もあります。
したがって、バッテリーの選択プロセスは反復的に行われます。 最適な候補を見つけるには、仕様に合ういくつかのタイプを試してみる価値があります。 この表は、いくつかの一般的なバッテリーの種類のいくつかの特性を示しています。
タイプ | セル電圧 | エネルギー密度 | 一般的な放電温度範囲 (°C) | スタンバイ寿命 | 充電式? | 最大電流 |
李イオン | 3.6 | ハイ | 0 – 50 | ロー | 有り | ハイ |
1.5 | ハイ | -18-55 | ハイ | いいえ | M | |
NiMH | 1.2 | ロー | -20-65 | ロー | 有り | ハイ |
リチウムコイン電池 | 3 | ロー | -30-60 | ハイ | いいえ (通常は) | ロー |
LiSoCl2 | 3 | ハイ | -80-125 | すごく高い | いいえ | ハイ |
バッテリーを選択したら、カットオフポイントを決定する必要があります。 一般に、超低電力システムでは、電圧によって性能が変化するコンポーネントについては特別な注意が必要です。 たとえば、LCD ディスプレイや LED には電池が消耗し、コントラストが消えたり LED がオフになったりする可能性があります。 最高のユーザーエクスペリエンスを実現するには、バッテリー電圧が動作を維持するのに十分であることを確認する必要があります。
システムが入力電圧を必要とする場合(バッテリーにまだ使用可能な容量が残っている間にカットオフポイントに達した場合、たとえば、公称 3V システムが 2.5V でカットオフする場合)、ブーストレギュレータが必要になる場合があります。ただし、これを行う際には考慮すべき妥協点があります。
· レギュレーターはどのような電圧に設定する必要がありますか?
· レギュレーターの効率はどれくらいですか? また、入力電圧によってどのように変化しますか?
· 入力電圧が設定電圧より高い場合、つまり新しい電池が取り付けられている場合はどうなりますか?
· 非効率によりレギュレータによって無駄に消費される電力は、容量の増加を相殺しますか?
· 昇圧コンバータは、システムがオフになる電圧を下回る電圧までバッテリーを消耗させることで、バッテリーの容量を最大限に活用できますか?
ハードウェア設計
プルアップやその他の設計上のヒントを最小限に抑える
低電力ワイヤレス無線システムの設計では、消費電力が重要ではないデバイスでは無視されがちな詳細に注意を払う必要があります。
通常の主電源システムでは、プルアップ抵抗を介した電流漏れなどの要素について心配する必要はありません。 低電力システムでは、その消費電力が問題になる可能性があります。 そこでいくつかの妥協が必要になります。
アンテナを調整する
設計において範囲が重要であっても、アンテナを調整することを忘れないでください。 そうすることで、エンジニアは必要な範囲を達成するために必要な送信電力を最小限に抑えることができます。
反応性と起床時間
低電力ワイヤレス デバイスは、迅速に「使用可能な」状態に達する必要があります。 ユーザーが画面に触れてからシステムが応答するまでの時間は、バックライトがオンになって電力が供給される時間となり、応答時間が遅くなる可能性があります。 通常、メイン プロセッサのウェイクアップ専用のコンポーネントが XNUMX つ以上あり、単にデバイスをオフにするだけではバッテリ電力を節約するのに有効な方法ではありません。
同期
多くの低電力無線デバイスは相互に通信してデータや命令を受信します。 これが起こるためには、受信機が情報を受信できる状態になっていることが不可欠です。 両端は同期され、同期を維持する必要がありますが、これに必要な受信機の使用量を最小限に抑えることをお勧めします。
XNUMX つのバッテリ駆動デバイスが通信しているシステムでは、バッテリ寿命を維持するために両方が低電力/スリープ モードに入ります。 したがって、データが破損せずに通過または受信されることが保証されていないため、これに対処するためにエラー検出や確認応答などのさまざまなプロトコルが開発されています。
温度ドリフトに注意してください
システム内の各アクティブ デバイスは、何らかの種類のクロックを使用します。 これらは温度によってドリフトする可能性があるため、アクティブなデバイス間の時間差につながる可能性のある環境要因に注意することが重要です。 ドリフトはバッテリー消費量の増加につながる可能性があるため、システム設計時にドリフトを考慮することが重要です。
TX電力を最小限に抑える
必要以上に出力電力を不必要に上げないでください。無線リンクが 5 メートルに達するだけであれば、XNUMXdB の出力電力は必要ありません。
短い送信パルス
送信機がオンの場合、低電力無線は最大電力状態になります。 したがって、時間内にそれを最小限に抑えることが合理的です。 これは、送信されるデータ量を削減することを意味します。
受信機のオンタイムを最小限に抑えるために、送信するデータの量と通信相手に焦点を当てます。システムが常にオンになっている必要がある場合は、システムがオンになっていていつでも送信できることをエンジニアがすでに知っているため、受信機の時間を最小限に抑えることができます。
無線システムのアップデート
無線システムを更新するには XNUMX つの方法があります。XNUMX つは各ユニットに入って更新する手動の方法、もう XNUMX つは無線自体がユニット内のコードを更新する無線 (OTA) です。 OTA アップデートは一般にはるかに効率的ですが、問題が発生する可能性が高くなります。 したがって、システムが確実に動作し続けるためには、フェイルセーフが不可欠です。
バッチテスト
バッテリ駆動の低電力デバイスでは、コンポーネントのパフォーマンスの限界ギリギリで動作する可能性があります。 FET などのアクティブ デバイスでは、低い電圧降下に依存するため、デバイス特性に常に差が生じ、性能に影響を与える可能性があります。
バッチ テストは、いかなる変動によってもデバイスの動作が損なわれないことを確認するのに価値があります。 大量生産時の困難を避けるために、SPICE シミュレータを使用して、温度や電圧の極値など、より単純な設計側面のいくつかをシミュレーションする価値があります。
ユーザー エクスペリエンスと期待は重要な考慮事項であることを忘れないでください。 エンジニアは、実際よりもはるかに高速に応答することを期待しているために、エンドユーザーを満足させない、驚くほど低消費電力のシステムを設計する可能性があります。 ここで実際にバランスをとる作業が行われますが、利用可能なテクノロジーと経験豊富なエンジニアを使用すれば、妥協することは可能です。
(写真撮影者 ミカ・バウメイスター on Unsplash)
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出典: https://iottechnews.com/news/2021/jun/17/ Saving-power-in-low-power-wireless-radio-systems/
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