연결된 IoT 장치의 수는 125년까지 2030억으로 도약. 전세계 IoT 지출을 보면 믿기 어렵지 않습니다. 745 년 2019 억 달러에 도달. 이러한 배경에서 전자 설계자는 특히 배터리 수명과 관련하여 설계를 최적화해야 한다는 압력을 받고 있습니다.
이 기사에서 ByteSnap Design의 이사 인 Dunstan Power는 저전력 무선 무선 시스템 설계를위한 주요 고려 사항에 대한 통찰력을 제공합니다.
균형 행위
원하는 수준의 기능을 달성하려고 시도하면서 장치의 전력 소비를 줄이는 것은 저전력 설계의 가장 어려운 측면 중 하나입니다. 현재 사용 가능한 모든 성공적인 저전력 무선 장치는 성공적인 밸런싱 작업의 결과이며, 개발자는 우선 순위를 평가하고 일련의 타협을 수행하여 장치가 작동하도록합니다.
소프트웨어 디자인
프로젝트 시작 시 시스템 선택에 따라 달성할 수 있는 결과가 결정됩니다. 처음부터 저전력 설계를 권장하며, 배포할 무선 통신 유형을 먼저 고려해야 합니다. ZigBee, Thread, Bluetooth, Wi-Fi 등의 단거리 무선 통신부터 LoRa, SigFox, Weightless 등의 장거리 저전력 무선 통신, 셀룰러 무선 시스템까지 선택의 폭이 넓습니다.
일부 무선 파장은 다른 파장보다 훨씬 더 잘 전파되므로 전력 효율성이 향상됩니다. 낮은 주파수는 높은 주파수보다 더 잘 전파되는 경향이 있지만 잠재적 인 데이터 속도가 감소한다는 단점이 있습니다. 더 높은 주파수는 더 짧은 거리를 커버하는 경향이 있지만 더 높은 대역폭과 더 빠른 전송 속도를 갖습니다. 이동하는 데 필요한 거리 신호가 길수록 일반적으로 사용할 수있는 속도가 느려집니다.
또한 무선 시스템 토폴로지를 고려하십시오. 적절하게 관리하면 시스템의 효율성과 속도를 높일 수 있습니다. 스타 토폴로지는 마스터 장치가 배터리 전원을 사용하지 않고 네트워크 부하 만 관리 할 수있을 때 이상적입니다. 또는 모든 장치가 저전력 인 경우 여러 리피터가있는 메시 네트워크가 더 적합 할 수 있습니다.
마이크로 컨트롤러의 선택은 일반적으로 간단하며 설계자는 일반적으로 익숙한 제품군 / 제조업체를 보유하게됩니다. 오늘날 대부분의 소형 프로세서 (PIC, AVR, ARM 기반)에는 작동 중에 필요한 전력을 줄이는 데 사용할 수있는 저전력 모드가 있습니다. 그들은 다시 깨우기 위해 인터럽트에 의존합니다. 이들 중 다수는 또한 시간을 최소로 유지하여 사용되는 전력을 줄이기위한 빠른 웨이크 업 시스템을 가지고 있습니다.
저전력 무선의 범위는 배터리 선택이 프로젝트마다 다르다는 것을 의미합니다. 그러나 무선 시스템에 간헐적 인 전류 버스트가 필요하거나 배터리를 재충전 할 수 있어야하는 경우 옵션이 빠르게 제한되는 경우가 많습니다.
배터리 제조업체 데이터 시트가 도움이 될 수 있지만 대부분은 정전류 드레인을 기반으로 배터리 방전 곡선을 보여 주며 일반적으로 저전력 시스템이 사용하는 것보다 더 높은 전류를 소모합니다. 저전력 시스템에서 어떤 일이 발생하는지 파악하려면 일부 보간법을 사용해야합니다.
또한 이와 같은 무선 시스템은 잠자는 동안 최소한의 전력을 사용하고 수신 및 전송을 위해 깨어있을 때 큰 전류 펄스를 필요로하는 경향이 있습니다. 일부 배터리는 이에 적합하지 않습니다.
환경 요인도 배터리 선택 및 사용에 영향을 미칩니다. 추운 환경은 배터리의 전압과 장치의 전반적인 유용한 배터리 수명을 줄입니다. 고온은 또한 일부 배터리에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.
결과적으로 배터리 선택 프로세스가 반복됩니다. 가장 적합한 후보를 찾으려면 사양에 맞는 몇 가지 유형을 시험해 볼 가치가 있습니다. 이 표는 몇 가지 일반적인 배터리 유형의 몇 가지 특성을 보여줍니다.
타입 | 세포 전압 | 에너지 밀도 | 일반적인 방전 온도 범위(°C) | 대기 수명 | 충전식인가요? | 최대 전류 |
리튬 이온 | 3.6 | 높은 | 0 – 50 | 낮은 | 가능 | 높은 |
알칼리성 | 1.5 | 높은 | -18 ~ 55 | 높은 | 아니 | 중급 |
NiMH | 1.2 | 낮은 | -20 ~ 65 | 낮은 | 가능 | 높은 |
리튬 코인 셀 | 3 | 낮은 | -30 ~ 60 | 높은 | 아니요(보통) | 낮은 |
LiSoCl2 | 3 | 높은 | -80 ~ 125 | 매우 높음 | 아니 | 높은 |
배터리 선택이 완료되면 차단 지점을 결정해야합니다. 일반적으로 초 저전력 시스템의 경우 전압에 따라 성능이 변하는 구성 요소에 대해 각별한주의가 필요합니다. 예를 들어 LCD 디스플레이와 LED에는 배터리가 지금까지 감소하여 대비가 사라지거나 LED가 꺼집니다. 최상의 사용자 경험을 위해 작동을 유지하는 데 필요한 배터리 전압이 충분한 지 확인해야합니다.
시스템에 입력 전압이 필요한 경우(배터리에 사용 가능한 용량이 아직 남아 있는 동안 차단 지점에 도달한 경우, 예를 들어 공칭 3V 시스템이 2.5V에서 차단되는 경우) 부스트 조정기가 필요할 수 있습니다. 하지만 이 작업을 수행하는 데에는 고려해야 할 절충안이 있습니다.
· 레귤레이터는 어떤 전압으로 설정해야 합니까?
· 레귤레이터의 효율은 무엇이며, 입력전압에 따라 어떻게 변하는가?
· 입력 전압이 설정 전압보다 높으면, 즉 새 배터리를 장착하면 어떻게 됩니까?
· 비효율성으로 인해 조정기에서 낭비되는 전력이 용량 증가를 상쇄합니까?
· 부스트 컨버터가 시스템이 꺼지는 전압 이하로 배터리를 방전시켜 배터리 용량을 완전히 사용할 수 있습니까?
하드웨어 설계
풀업 및 기타 디자인 팁 최소화
저전력 무선 무선 시스템 설계는 전력 소비가 중요하지 않은 장치에서 쉽게 무시되는 세부 사항에주의를 기울여야합니다.
일반적인 주전원 시스템에서는 풀업 저항을 통한 전류 누출과 같은 요소에 대해 걱정할 필요가 없습니다. 저전력 시스템에서는 이러한 전력 소비가 문제가 될 수 있습니다. 여기에서 일부 타협이 발생합니다.
안테나 조정
설계에서 범위가 중요하더라도 안테나를 조정하는 것을 잊지 마십시오. 이를 통해 엔지니어는 원하는 범위를 달성하는 데 필요한 전송 전력을 최소화 할 수 있습니다.
응답 성 및 깨우기 시간
저전력 무선 장치는 '유용한'상태에 빠르게 도달해야합니다. 사용자가 화면을 터치하고 시스템이 응답하는 사이의 시간은 백라이트가 켜져 있고 전원을 끌어 오는 시간이며, 잠재적으로 응답 시간이 느려질 수 있습니다. 일반적으로 주 프로세서를 깨우기위한 구성 요소가 하나 이상 있으며 단순히 장치를 끄는 것은 배터리 전원을 절약하는 유용한 방법이 아닙니다.
동기화
많은 저전력 무선 장치가 서로 통신하여 데이터 또는 지침을 수신합니다. 이를 위해서는 수신기가 켜져 있어야 정보를받을 수 있습니다. 양쪽 끝이 동기화되고 동기화 상태를 유지해야하지만이를 위해 필요한 수신기 사용량을 최소화하는 것이 좋습니다.
두 개의 배터리 전원 장치가 통신하는 시스템에서는 둘 다 배터리 수명을 보존하기 위해 저전력 / 절전 모드로 전환됩니다. 따라서 데이터가 손상되지 않고 통과하거나 수신되는 것이 보장되지 않으므로이를 방지하기 위해 오류 감지 및 승인과 같은 다양한 프로토콜이 개발되었습니다.
온도 드리프트주의
시스템의 각 활성 장치는 일종의 시계를 사용합니다. 이는 온도에 따라 표류 할 수 있습니다. 즉, 활성 장치 간의 시간 차이를 유발할 수있는 환경 요인을 확인하는 것이 중요합니다. 드리프트는 배터리 전력 소비를 증가시킬 수 있으므로 시스템 설계시 고려하는 것이 중요합니다.
TX 전력 최소화
필요 이상으로 출력 전력을 불필요하게 높이 지 마십시오. 무선 링크가 5 미터에 도달하면 XNUMXdB 출력 전력이 필요하지 않을 것입니다.
짧은 전송 펄스
송신기가 켜져있을 때 저전력 라디오는 최대 전력 상태입니다. 따라서 제 시간에 최소화하는 것이 좋습니다. 이것은 전송되는 데이터의 양을 줄이는 것을 의미합니다.
수신기 시간을 최소화하기 위해 전송할 데이터의 양과 통신 대상에 중점을 둡니다. 시스템이 지속적으로 켜져 있어야 하는 경우 엔지니어는 시스템이 켜져 있고 언제든지 전송할 수 있다는 것을 이미 알고 있으므로 수신기 n 시간을 최소화할 수 있습니다.
라디오 시스템의 업데이트
무선 시스템을 업데이트하는 방법에는 두 가지가 있습니다. 수동 (각 장치에 들어가서 업데이트)과 무선 (OTA) 자체가 장치 내의 코드를 업데이트하는 무선 (OTA)입니다. OTA 업데이트는 일반적으로 훨씬 더 효율적이지만 문제가 발생할 가능성이 증가합니다. 따라서 페일 세이프는 시스템이 계속 작동하도록 보장하는 데 매우 중요합니다.
배치 테스트
배터리로 작동되는 저전력 장치를 사용하면 구성 요소 성능의 한계 아래에서 작동 할 수 있습니다. 낮은 전압 강하에 의존하는 FET와 같은 활성 장치의 경우 항상 성능에 영향을 줄 수있는 장치 특성의 차이가 있습니다.
배치 테스트는 변형이 장치의 작동을 손상시키지 않는지 확인하는 데 유용합니다. 대량 생산 중 고통을 피하기 위해 극한 온도 및 전압과 같은 SPICE 시뮬레이터를 사용하여 더 간단한 설계 측면 중 일부를 시뮬레이션하는 것이 좋습니다.
그리고 기억하세요. 사용자 경험과 기대는 중요한 고려 사항입니다. 엔지니어는 실제보다 훨씬 빠르게 반응 할 것으로 예상 할 수 있기 때문에 최종 사용자를 만족시키지 않는 환상적으로 저전력 시스템을 설계 할 수 있습니다. 여기에서 밸런싱 작업이 실제로 발생하지만 사용 가능한 기술과 숙련 된 엔지니어가 있으면 타협이 가능합니다.
(의 사진 미카 바우 마이스터 on Unsplash)
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출처: https://iottechnews.com/news/2021/jun/17/saving-power-in-low-power-wireless-radio-systems/
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