Antalet anslutna IoT-enheter prognostiseras till hoppa till 125 miljarder år 2030. Detta är inte svårt att tro, eftersom globala IoT-utgifter nådde 745 miljarder dollar 2019. Mot denna bakgrund är elektronikdesigners pressade att optimera design, särskilt när det gäller batteritid.
I den här artikeln erbjuder Dunstan Power, chef för ByteSnap Design, insikter om viktiga överväganden för utformning av trådlösa radiosystem med låg effekt.
Balanseringen
Att minska energiförbrukningen för en enhet samtidigt som man försöker uppnå önskad nivå av funktionalitet är en av de mest utmanande aspekterna av design med låg effekt. Alla framgångsrika trådlösa enheter med låg effekt för närvarande är resultatet av en framgångsrik balanseringshandling, där utvecklarna har vägt sina prioriteringar och gjort en serie kompromisser som har resulterat i en fungerande enhet.
Mjukvarudesign
Systemval som görs i början av ett projekt dikterar vad som kan uppnås. Design för låg effekt från början rekommenderas, med det första övervägandet är vilken typ av radio som ska användas. Valet är stort från radioapparater med kort räckvidd, som ZigBee, Thread, Bluetooth och Wi-Fi till långdistansradio med låg effekt, inklusive LoRa, SigFox och Weightless, och cellulära radiosystem.
Vissa radiovåglängder sprids mycket bättre än andra, vilket innebär ökad effektivitet. Lägre frekvenser tenderar att spridas bättre än högre frekvenser, men kompromissen är att den potentiella datahastigheten minskar. Högre frekvenser tenderar att täcka kortare avstånd, men har högre bandbredd och högre överföringshastigheter. Ju längre avståndssignalerna behöver resa desto långsammare kan du använda i allmänhet.
Tänk också på radiosystemets topologi - detta kan öka systemets effektivitet och hastighet när det hanteras ordentligt. Stjärntopologier är idealiska när masterenheten inte är batteridriven och kan hantera nätverksbelastningen ensam. Alternativt, där alla enheter har låg effekt, kan ett nätverk med flera repeater vara mer lämpligt.
Valet av mikrokontroller är vanligtvis enkelt och en designer har vanligtvis en familj / tillverkare som de känner till. De flesta små processorer i dessa dagar - PIC-, AVR-, ARM-baserade - har lägen för låg effekt som kan användas för att minska den effekt som krävs under drift. De litar på ett avbrott för att väcka dem igen. Många av dessa har också ett snabbt väckningssystem för att hålla i tid till ett minimum och därmed minska den använda strömmen.
Utbudet av trådlös lågeffekt innebär att batterival varierar mellan olika projekt. Men när radiosystemet kräver sällsynta strömutbrott eller om batteriet behöver laddas, är alternativen ofta snabbt begränsade.
Datatillverkare från batteritillverkare kan hjälpa till, men de flesta visar urladdningskurvor för batterier baserat på en konstant strömavlopp, och vanligtvis med högre strömförbrukning än vad ett lågeffektssystem använder. Viss interpolation måste användas för att räkna ut vad som kommer att hända i ett lågeffektsystem.
Radiosystem som detta brukar också använda minimalt med ström under sömnen och kräver då stora strömpulser när de är vaken för mottagning och sändning. Vissa batterier är inte lämpliga för detta.
Miljöfaktorer påverkar också batteriets val och deras användning. En kall miljö minskar batteriets spänning och enhetens totala användbara batteritid. Höga temperaturer kan också påverka vissa batterier negativt.
Processen att välja batteri är följaktligen iterativ. För att hitta den bästa kandidaten är det värt att testa några typer som passar specifikationerna. Denna tabell visar några egenskaper hos några vanliga batterityper:
Typ | Cellspänning | Energi densitet | Typiskt urladdningstemperaturområde (°C) | Standby livstid | Uppladdningsbar? | Max ström |
Li Ion | 3.6 | Hög | 0 - 50 | Låg | Ja | Hög |
Alkalisk | 1.5 | Hög | -18 - 55 | Hög | Nej | Medium |
NiMH | 1.2 | Låg | -20 - 65 | Låg | Ja | Hög |
Li myntcell | 3 | Låg | -30 - 60 | Hög | Nej (vanligtvis) | Låg |
LiSoCl2 | 3 | Hög | -80 - 125 | Väldigt högt | Nej | Hög |
När batterivalet har valts måste en avstängningspunkt bestämmas. För system med extremt låg effekt i allmänhet krävs extra försiktighet med komponenter vars prestanda ändras med spänning. LCD-skärmar och lysdioder har till exempel batterier som kan minska så långt att kontrasten försvinner eller lysdioderna släcks. För bästa användarupplevelse måste du se till att batterispänningen du arbetar ner är tillräcklig för att hålla dem i drift.
Om systemet kräver en inspänning (när brytpunkten uppnås medan batterierna fortfarande har användbar kapacitet kvar – t.ex. om ett nominellt 3V-system bryts vid 2.5V), kan en boostregulator vara nödvändig. Det finns dock kompromisser att tänka på när du gör detta:
· Vilken spänning ska regulatorn ställas in på?
· Vilken effektivitet har regulatorn och hur varierar den med ingångsspänningen?
· Vad händer när inspänningen är högre än den inställda spänningen, dvs när nya batterier sätts i?
· Tar den kraft som slösas bort av regulatorn på grund av ineffektivitet bort eventuella kapacitetsvinster?
· Kan en boostomvandlare utnyttja batteriets kapacitet fullt ut genom att tömma det till en spänning under vilken systemet skulle stängas av?
Hårdvara Design
Minimera pull-ups och andra designtips
Trådlös radiosystemdesign med låg effekt kräver uppmärksamhet på detaljer som lätt ignoreras i enheter där strömförbrukningen är obetydlig.
Med normala nätdrivna system behöver du inte oroa dig för element som strömläckage genom uppdragningsmotstånd. I lågeffektsystem kan den energiförbrukningen bli ett problem. Det är där några av kompromisserna kommer in:
Ställ in antennen
Även om räckvidd är viktigt i designen, kom ihåg att ställa in antennen. På så sätt kan ingenjörer minimera den överföringseffekt som behövs för att uppnå önskat intervall.
Lyhördhet och vakningstid
En trådlös enhet med låg effekt måste snabbt nå ett "användbart" tillstånd. Tiden mellan att användaren vidrör skärmen och systemet svarar är den tid då bakgrundsbelysningen är på och drar kraft, vilket eventuellt saktar ner svarstiden. Det finns vanligtvis en eller flera komponenter som är avsedda att väcka huvudprocessorn och att helt enkelt stänga av enheten är inte en användbar metod för att spara batteriström.
synkronisering
Många radioenheter med låg effekt kommunicerar med varandra för att ta emot data eller instruktioner. För att detta ska hända är det viktigt att mottagaren är på för att ta emot informationen. Båda ändarna måste vara synkroniserade och förbli synkroniserade, men vi rekommenderar att du minimerar den mottagaranvändning som krävs för detta.
I system där två batteridrivna enheter kommunicerar kommer båda att gå in i lågt / viloläge för att spara batteriets livslängd. Så data garanteras inte att komma igenom eller tas emot okorrigerade, därför har olika protokoll, som feldetektering och bekräftelser, utvecklats för att bekämpa detta.
Akta dig för temperaturdrift
Varje aktiv enhet i systemet använder klockor av något slag. Dessa kan drivas med temperatur, vilket betyder att det är viktigt att notera miljöfaktorer som kan leda till tidsskillnader mellan aktiva enheter. Det är viktigt att drift tas med i beräkningen när du utformar systemet eftersom det kan leda till en ökad batteriförbrukning.
Minimera TX-effekten
Öka inte uteffekten i onödan utöver vad som behövs - om radiolänken bara måste nå tio meter, är det troligt att 5dB uteffekt inte behövs.
Korta sändningspulser
När sändaren är på är en radio med låg effekt i maximal effekt. Därför är det vettigt att minimera det i tid. Detta innebär att minska mängden data som överförs.
För att minimera mottagaren i tid ligger fokus på mängden data som ska överföras och vad som kommuniceras med. Om systemet behöver vara på konstant kan mottagarens n tid sedan minimeras eftersom ingenjören redan vet att systemet är på och kan sända när som helst.
Uppdatering av radiosystem
Det finns två sätt att uppdatera ett radiosystem: Manuellt, vilket innebär att man går in i varje enhet och uppdaterar, och över luften (OTA), där radion själv uppdaterar koden i enheten. OTA-uppdateringar är i allmänhet mycket effektivare, men det finns en ökad chans att något går fel. Kassaskåp är därför avgörande för att systemet ska fortsätta att fungera.
Batchprovning
Med enheter med låg effekt som är batteridrivna kan du använda precis under komponentens prestanda. Med aktiva enheter som FET, där du förlitar dig på ett lågt spänningsfall, kommer det alltid att finnas en skillnad i enhetens egenskaper som kan påverka prestandan.
Partitestning är värt att säkerställa att alla variationer inte äventyrar enhetens funktion. För att undvika smärtor under massproduktion är det värt att simulera några av de enklare designaspekterna med en SPICE-simulator, som extrema temperaturer och spänningar.
Och kom ihåg - användarupplevelse och förväntningar är viktiga överväganden. En ingenjör kan utforma ett fantastiskt lågeffektsystem som inte uppfyller slutanvändaren eftersom de kan förvänta sig att det svarar mycket snabbare än vad det faktiskt gör. Det är här balanseringen verkligen händer, men med tillgänglig teknik och erfarna ingenjörer är kompromisser möjliga.
(Foto av Mike Baumeister on Unsplash)
Vill du veta mer från chefer och tankeledare i det här utrymmet? Ta reda på mer om Digital tvillingvärld evenemang, som äger rum den 8-9 september 2021, som kommer att utforska ökade affärsresultat på djupet och vilka branscher som kommer att gynnas.
Källa: https://iottechnews.com/news/2021/jun/17/saving-power-in-low-power-wireless-radio-systems/
- 2021
- Konto
- aktiv
- Alla
- antenn
- Artikeln
- batterier
- batteri
- BÄST
- Miljarder
- bluetooth
- ombord
- företag
- cambridge
- Kapacitet
- klienter
- koda
- Coin
- Gemensam
- konsumtion
- fortsätta
- Aktuella
- datum
- Designa
- designer
- Detektering
- utvecklare
- enheter
- Direktör
- avstånd
- Drop
- effektivitet
- Elektronik
- slutar
- ingenjör
- Teknik
- Ingenjörer
- Miljö
- miljömässigt
- händelse
- befattningshavare
- SNABB
- Figur
- Förnamn
- passa
- Fokus
- FPGA
- Allmänt
- Välgörenhet
- Hög
- Hur ser din drömresa ut
- HTTPS
- Inklusive
- Öka
- industrier
- industrin
- informationen
- insikter
- iot
- iot enheter
- IT
- Nyckel
- Large
- leda
- Nivå
- Begränsad
- LINK
- läsa in
- Tillverkare
- Mesh-nätverk
- nät
- Erbjudanden
- drift
- Tillbehör
- beställa
- Övriga
- Övrigt
- prestanda
- kraft
- tryck
- Produktion
- projektet
- radio
- område
- minska
- respons
- sparande
- screen
- känsla
- Serier
- in
- Kort
- Simulatorn
- saktar
- Small
- So
- Utrymme
- fart
- Spendera
- Ange
- bo
- framgångsrik
- stödja
- Växla
- system
- System
- Tekniken
- Testning
- tid
- färdas
- universitet
- Uppdatering
- Uppdateringar
- våglängder
- Vad är
- Wi-fi
- trådlös
- inom
- Arbete
- värt