Antall tilkoblede IoT-enheter er anslått til hoppe til 125 milliarder innen 2030. Dette er ikke vanskelig å tro, som globale IoT-utgifter nådde 745 milliarder dollar i 2019. På dette bakteppet er elektronikkdesignere under press for å optimalisere design, spesielt når det kommer til batterilevetid.
I denne artikkelen gir Dunstan Power, direktør for ByteSnap Design, innsikt i viktige hensyn for utforming av trådløse radiosystemer med lav effekt.
Balansegangen
Å redusere strømforbruket til en enhet mens du prøver å oppnå ønsket nivå av funksjonalitet er en av de mest utfordrende aspektene ved design med lite strøm. Alle vellykkede trådløse enheter som er tilgjengelige nå, er resultatet av en vellykket balansegang, der utviklerne har veid sine prioriteringer og inngått en rekke kompromisser som har resultert i en fungerende enhet.
Programvaredesign
Systemvalg gjort i starten av et prosjekt dikterer hva som kan oppnås. Det anbefales å designe for lav effekt fra begynnelsen, med den første vurderingen som typen radio som skal distribueres. Valget er stort fra radioer med kort rekkevidde, som ZigBee, Thread, Bluetooth og Wi-Fi til langtrekkende laveffektsradioer, inkludert LoRa, SigFox og Weightless, og mobilradiosystemer.
Noen radiobølgelengder forplanter seg mye bedre enn andre, noe som betyr økt effektivitet. Lavere frekvenser har en tendens til å forplante seg bedre enn høyere frekvenser, men kompromisset er at den potensielle datahastigheten reduseres. Høyere frekvenser har en tendens til å dekke kortere avstander, men har høyere båndbredde og raskere overføringshastigheter. Jo lenger avstandssignalene trenger å reise, desto lavere hastighet kan du generelt bruke.
Vurder også radiosystemets topologi - dette kan øke effektiviteten og hastigheten til systemet når det administreres riktig. Stjernetopologier er ideelle når masterenheten ikke er batteridrevet og kan håndtere nettverksbelastningen alene. Alternativt, der alle enheter har lite strøm, kan et nettverk med flere repeatere være mer passende.
Valget av mikrokontroller er vanligvis grei og en designer vil vanligvis ha en familie / produsent de er kjent med. De fleste små prosessorer i disse dager - PIC-, AVR-, ARM-baserte - har moduser med lav effekt som kan brukes til å redusere strømmen som kreves under drift. De stoler på et avbrudd for å vekke dem opp igjen. Mange av disse har også et raskt våknesystem for å holde tiden på et minimum og dermed redusere strømmen som brukes.
Utvalget av trådløs strømforsyning betyr at valg av batteri varierer i hvert prosjekt. Men når radiosystemet krever sjeldne strømutbrudd, eller batteriet må være oppladbart, blir alternativene ofte raskt begrenset.
Batteriprodusentens datablad kan hjelpe, men de fleste vil vise batteriutladningskurver basert på en konstant strømavløp, og vanligvis med en høyere strømforbruk enn et laveffektsystem vil bruke. Noe interpolasjon må brukes for å finne ut hva som vil skje i et laveffektsystem.
Også radiosystemer som dette har en tendens til å bruke minimal strøm mens du sover, og krever deretter store strømpulser når de er våken for mottak og sending. Noen batterier passer ikke til dette.
Miljøfaktorer påvirker også valg av batteri og deres bruk. Et kaldt miljø vil redusere batteriets spenning og den totale nyttige levetiden til enheten. Høye temperaturer kan også påvirke noen batterier negativt.
Prosessen med valg av batteri er følgelig iterativ. For å finne den beste kandidaten er det verdt å prøve noen få typer som passer til spesifikasjonene. Denne tabellen viser noen kjennetegn ved noen vanlige batterityper:
typen | Cellespenning | Energi tetthet | Typisk utladningstemperaturområde (°C) | Standby levetid | Oppladbar? | Maks strøm |
Li Ion | 3.6 | Høy | 0 - 50 | Lav | Ja | Høy |
Alkalisk | 1.5 | Høy | -18 - 55 | Høy | Nei | Medium |
NiMH | 1.2 | Lav | -20 - 65 | Lav | Ja | Høy |
Li myntcelle | 3 | Lav | -30 - 60 | Høy | Nei (vanligvis) | Lav |
LiSoCl2 | 3 | Høy | -80 - 125 | Veldig høy | Nei | Høy |
Når batterivalget er gjort, må et avskjæringspunkt bestemmes. For ultra-low-power-systemer generelt er ekstra forsiktighet nødvendig med komponenter hvis ytelse endres med spenning. LCD-skjermer og lysdioder har for eksempel batterier som kan reduseres så langt at kontrasten forsvinner eller lysdiodene slås av. For å få best mulig brukeropplevelse, må du sørge for at batterispenningen du jobber ned til er nok til å holde dem i drift.
Hvis systemet krever en inngangsspenning (når avskjæringspunktet er nådd mens batteriene fortsatt har brukbar kapasitet igjen – for eksempel hvis et nominelt 3V-system bryter ved 2.5V), kan det være nødvendig med en boostregulator. Det er imidlertid kompromisser å vurdere når du gjør dette:
· Hvilken spenning skal regulatoren stilles inn på?
· Hva er effektiviteten til regulatoren og hvordan varierer den med inngangsspenningen?
· Hva skjer når inngangsspenningen er høyere enn innstilt spenning, dvs. når nye batterier settes på?
· Kansellerer strømmen bort fra regulatoren på grunn av ineffektivitet eventuelle kapasitetsøkninger?
· Kunne en boost-omformer utnytte batteriets kapasitet fullt ut ved å tømme det til en spenning under som systemet vil slå seg av?
Maskinvaredesign
Minimer pull-ups og andre designtips
Trådløs radiosystemdesign med lav effekt krever oppmerksomhet på detaljer som lett blir ignorert i enheter der strømforbruket er uviktig.
Med vanlige, nettdrevne systemer trenger du ikke å bekymre deg for elementer som strømlekkasje gjennom trekkmotstander. I laveffektsystemer kan det strømforbruket bli et problem. Det er her noen av kompromissene kommer inn:
Still inn antennen
Selv om rekkevidden er viktig i designet, må du huske å stille inn antennen. Ved å gjøre dette kan ingeniører minimere overføringskraften som trengs for å oppnå ønsket rekkevidde.
Respons og vekketid
En trådløs enhet med lav effekt må nå en "nyttig" tilstand. Tiden mellom at brukeren berører skjermen og systemet reagerer, er tiden hvor bakgrunnsbelysningen er på og trekker strøm, noe som potensielt reduserer responstiden. Det er vanligvis en eller flere komponenter dedikert til å vekke hovedprosessoren, og bare å slå av enheten er ikke en nyttig metode for å spare batteristrøm.
Synkronisering
Mange radioenheter med lav effekt kommuniserer med hverandre for å motta data eller instruksjoner. For at dette skal skje, er det viktig at mottakeren er på for å motta informasjonen. Begge ender må synkroniseres og forbli synkroniserte, men vi anbefaler å minimere mottakerbruken som kreves for dette.
I systemer der to batteridrevne enheter kommuniserer, vil begge gå inn i lavspennings- / hvilemodus for å bevare batterilevetiden. Så det er ikke garantert at data kommer gjennom eller blir mottatt uforstyrret, og det er derfor utviklet forskjellige protokoller, som feildeteksjon og bekreftelser, for å bekjempe dette.
Pass på temperaturdrift
Hver aktive enhet i systemet bruker klokker av noe slag. Disse kan svinge med temperaturen, noe som betyr at det er viktig å merke seg miljøfaktorer som kan føre til tidsforskjeller mellom aktive enheter. Det er viktig at drift tas i betraktning når du designer systemet, da det kan føre til økning i batteristrømforbruk.
Minimer TX-strøm
Ikke unødvendig øk utgangseffekten utover det som trengs - hvis radiokoblingen bare må nå ti meter, er det lite sannsynlig at 5dB utgangseffekt er nødvendig.
Korte sendepulser
Når senderen er på, er en radio med lav effekt i maksimal strømtilstand. Derfor er det fornuftig å minimere det i tide. Dette betyr å redusere mengden data som overføres.
For å minimere mottakeren i tide, er fokuset på mengden data som skal overføres og hva som kommuniseres med. Hvis systemet må være på konstant, kan mottakerens n-tid minimeres ettersom teknikeren allerede vet at systemet er på og kan sende når som helst.
Radiosystemers oppdatering
Det er to måter å oppdatere et radiosystem på: Manuelt, som innebærer å gå inn i hver enhet og oppdatere, og over the air (OTA), hvor radioen selv oppdaterer koden i enheten. OTA-oppdateringer er generelt mye mer effektive, men det er en økt sjanse for at noe går galt. Feilsikkerhet er derfor viktig for å sikre at systemet fortsetter å fungere.
Partietesting
Med enheter med lite strøm som er batteridrevet, kan du bruke like under komponentens ytelse. Med aktive enheter som FET, hvor du stoler på et lavt spenningsfall, vil det alltid være en forskjell i enhetens egenskaper som kan påvirke ytelsen.
Batch-testing er verdt å sikre at enhver variasjon ikke kompromitterer driften av enheten. For å unngå smerter under masseproduksjon, er det verdt å simulere noen av de enklere designaspektene ved hjelp av en SPICE-simulator, som ekstreme temperaturer og spenninger.
Og husk - brukeropplevelse og forventninger er viktige hensyn. En ingeniør kan designe et fantastisk lavt strømforsyningssystem som ikke tilfredsstiller sluttbrukeren fordi de kan forvente at det vil svare mye raskere enn det faktisk gjør. Det er her balansegangen virkelig skjer, men med tilgjengelig teknologi og erfarne ingeniører er kompromisser mulig.
(Foto av Mike Baumeister on Unsplash)
Vil du finne ut mer fra ledere og tankeledere i dette rommet? Finn ut mer om Digital tvillingverden arrangementet, som finner sted 8.-9. september 2021, som vil utforske utvidede forretningsresultater nærmere og hvilke bransjer det vil ha nytte av.
Kilde: https://iottechnews.com/news/2021/jun/17/saving-power-in-low-power-wireless-radio-systems/
- 2021
- Logg inn
- aktiv
- Alle
- antenne
- Artikkel
- batterier
- batteri
- BEST
- Milliarder
- blåtann
- borde
- virksomhet
- cambridge
- Kapasitet
- klienter
- kode
- Coin
- Felles
- forbruk
- fortsette
- Gjeldende
- dato
- utforming
- designer
- Gjenkjenning
- utviklere
- Enheter
- Regissør
- avstand
- Drop
- effektivitet
- Elektronikk
- slutter
- ingeniør
- Ingeniørarbeid
- Ingeniører
- Miljø
- miljømessige
- Event
- ledere
- FAST
- Figur
- Først
- passer
- Fokus
- FPGA
- general
- Global
- Høy
- Hvordan
- HTTPS
- Inkludert
- Øke
- bransjer
- industri
- informasjon
- innsikt
- IOT
- Iiot enheter
- IT
- nøkkel
- stor
- føre
- Nivå
- Begrenset
- LINK
- laste
- Produsent
- Mesh-nettverk
- nettverk
- Tilbud
- drift
- alternativer
- rekkefølge
- Annen
- andre
- ytelse
- makt
- press
- Produksjon
- prosjekt
- radio
- område
- redusere
- svar
- besparende
- Skjerm
- forstand
- Serien
- sett
- Kort
- simulator
- bremse
- liten
- So
- Rom
- fart
- utgifter
- Tilstand
- opphold
- vellykket
- støtte
- Bytte om
- system
- Systemer
- Technologies
- Testing
- tid
- reiser
- universitet
- Oppdater
- oppdateringer
- bølgelengder
- Hva er
- Wi-fi
- trådløs
- innenfor
- Arbeid
- verdt