選擇正確的藍牙低功耗SoC

2021-05-11

選擇正確的藍牙低功耗SoC

優(yōu)化藍牙低功耗（BLE）應用以最小化能耗可能是一項挑戰。了解BLE和底層的片上系統（SoC）架構對于延長(cháng)電池壽命至關(guān)重要。深入了解BLE操作模式（例如廣告和睡眠）尤其重要。通過(guò)向堆棧提供正確的輸入并利用BLE SoC的硬件功能，有多種方法可將整個(gè)系統的功耗降至最低。

在藍牙內部，BLE已保護了大量的插座。在無(wú)線(xiàn)設計中選擇BLE的最關(guān)鍵原因之一是其無(wú)處不在，這要歸功于它在智能手機中的廣泛部署以及能夠延長(cháng)電池壽命的能力。由于大多數IoT終端節點(diǎn)都由電池供電，因此較長(cháng)的電池壽命非常有價(jià)值。

盡管聽(tīng)起來(lái)似乎很明顯，但選擇BLE設備首先要評估其文檔。盡管最初的數據挖掘過(guò)程似乎微不足道，但半導體器件數據表的比較很快就會(huì )變成一項復雜的任務(wù)。

如EFR32BG22 BLE SoC的這些電源電流圖中所示，在25°C時(shí)BLE SoC的泄漏電流與85°C或更高時(shí)的泄漏電流有顯著(zhù)差異。從圖中還可以明顯看出，電源電流在很大程度上取決于SoC時(shí)鐘頻率。此處上方的圖表適用于EM0活動(dòng)模式，下方的圖表適用于EM1睡眠模式。兩幅圖均表示當內部DC-DC轉換器與3V電源一起使用時(shí)的芯片電流。點(diǎn)擊圖片放大。

例如，考慮無(wú)線(xiàn)SoC的接收或發(fā)送模式中的有功電流。許多BLE SoC報告的電流消耗為幾毫安。例如，Silicon Labs的EFR32BG22 SoC在0 dBm時(shí)的無(wú)線(xiàn)電接收電流為2.6 mA，發(fā)射電流為3.5 mA。請注意，這些數字僅與SoC RF收發(fā)器有關(guān)。在SoC級別，這些電流分別稍高一些，分別為3.6 mA和4.1 mA。一個(gè)常見(jiàn)的錯誤是僅依靠無(wú)線(xiàn)電編號來(lái)進(jìn)行SoC電流消耗。設備文檔的首頁(yè)通常必須通過(guò)對數據表的全面分析進(jìn)行驗證。

另一個(gè)示例是以微安每兆赫茲為單位報告的CPU功耗。在密集計算應用程序的情況下，此數字可以成為決定性的選擇標準。通常在最佳情況下進(jìn)行報告，通常是CPU的最大頻率。換句話(huà)說(shuō)，當SoC CPU的工作頻率與制造商文檔中指定的頻率不同時(shí)，數據表中顯示的值可能會(huì )被證明非常不準確。

第三個(gè)例子是深度睡眠電流，這對于電池供電的最終產(chǎn)品至關(guān)重要。這個(gè)數字通常在數百納安到幾微安之間。確保深度睡眠電流數量與保留的RAM大小相關(guān)并包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）電流消耗至關(guān)重要。RTC與精確的睡眠時(shí)鐘源結合在一起，可用于維持BLE正常工作所需的時(shí)序。在EFR32BG22 SoC的情況下，數據手冊的首頁(yè)提到了在EM2模式下的深度睡眠電流為1.40 μA，其中保留了32 kB RAM，并且RTC從LXCO（低頻晶體振蕩器）運行。數據表的電流消耗部分提供了更多信息。

因此，數據表中功率編號的缺乏標準化可能會(huì )產(chǎn)生錯誤的比較結果，從而最終導致選擇錯誤的器件。

了解應用程序要求

評估BLE SoC時(shí)，請考慮應用程序要求，這一點(diǎn)很重要。大多數供應商都試圖以負責任的態(tài)度來(lái)表示他們的數量，但是不可能為可能在多種不同應用中使用的設備處理所有用例。這是最終應用程序知識變得至關(guān)重要的地方。

選擇BLE SoC時(shí)，活動(dòng)電流和睡眠電流是關(guān)鍵指標。必須將這些當前數字插入到與應用環(huán)境緊密匹配的模型中，以產(chǎn)生對平均功耗的合理估計。此類(lèi)模型通常包括開(kāi)/關(guān)占空比，因為知道低占空比將有利于具有最低深度睡眠電流的SoC。高占空比將有利于具有最低有效電流的SoC。

另一個(gè)參數可能是最終產(chǎn)品的環(huán)境溫度，要了解BLE SoC在25°C時(shí)的泄漏電流與85°C或更高溫度下的泄漏電流明顯不同。高溫下的泄漏電流可能是工業(yè)應用（例如子計量）中的關(guān)鍵選擇標準，子應用需要在高溫下保證電池壽命。

該應用程序的另一個(gè)重要元素涉及所用電池技術(shù)的類(lèi)型（在電池供電的最終產(chǎn)品中）。電池為集成在最新BLE SoC中的片上DC-DC轉換器供電。使用DC-DC轉換器將顯著(zhù)降低整個(gè)SoC的有功電流消耗。一些復雜的SoC可能集成用于無(wú)線(xiàn)電和CPU的單獨的DC-DC轉換器。這種做法提供了一種優(yōu)化的解決方案，但是很明顯的趨勢是只有一個(gè)轉換器可以最大程度地降低SoC的成本。

最后，了解如何使用片內或片外存儲器也很重要。BLE終端節點(diǎn)的常見(jiàn)要求是執行軟件的空中下載（OTA）更新。根據要傳輸圖像的大小，外部閃存設備可能很經(jīng)濟。但是，事實(shí)證明，其增加的功耗和潛在的安全問(wèn)題可能比使用片上閃存時(shí)要高得多。對OTA更新的詳細分析將有助于確定最合適的內存物料清單。

EFR32BG22是集成了片上DC-DC轉換器的BLE SoC的示例。使用DC-DC轉換器將顯著(zhù)降低整個(gè)SoC的有功電流消耗。一些復雜的SoC可能集成用于無(wú)線(xiàn)電和CPU的單獨的DC-DC轉換器。這種做法提供了一種優(yōu)化的解決方案，但是很明顯的趨勢是只有一個(gè)轉換器可以最大程度地降低SoC的成本。

近年來(lái)，BLE SoC大大降低了其總有功電流消耗，同時(shí)保持了較低的深度睡眠電流。原因是硅技術(shù)從較大的幾何尺寸（0.18 μm，90 nm和65 nm）遷移到了更優(yōu)化的技術(shù)節點(diǎn)（55 nm和40 nm）。40 nm幾何形狀的使用與片上DC-DC轉換器的集成相結合，極大地降低了EFR32BG22 SoC的總體電流消耗。

例如，當禁用片上DC-DC轉換器時(shí)，從片上閃存運行Coremark時(shí)，Arm Cortex-M33 CPU要求54 μA / MHz。當激活相同的DC-DC轉換器時(shí)，相同的操作僅需要37 μA / MHz。

在深度睡眠模式下，RAM保留至關(guān)重要，這既因為它可以代表功耗預算的很大一部分，又因為當BLE SoC必須返回到活動(dòng)模式時(shí)，RAM保留將允許更快的啟動(dòng)。從設計的角度來(lái)看，低泄漏SRAM塊的使用使硅設計人員能夠將深度睡眠電流保持在1μA的范圍內。選擇BLE SoC時(shí)的另一個(gè)關(guān)鍵考慮因素是每個(gè)SRAM模塊的大小可能會(huì )有所不同。選擇要保留的RAM大小的能力將有助于最大程度地減少深度睡眠模式下的功耗。EFR32BG22 SoC集成了獨立可選的SRAM塊，總共32 kB的片上RAM。

最后，時(shí)鐘門(mén)控和電源門(mén)控技術(shù)的結合使BLE SoC可以根據其工作模式完全關(guān)閉設備的某些部分。這些功能的激活是自動(dòng)的，其詳細信息幾乎對于應用程序開(kāi)發(fā)人員是不可見(jiàn)的。

軟件啟用

在BLE應用中將功耗降至最低要求對無(wú)線(xiàn)電活動(dòng)進(jìn)行高度優(yōu)化的調度，從而在保持協(xié)議所需的精確時(shí)序的同時(shí)，將在盡可能低的能量模式下花費的時(shí)間最大化。為了精確控制發(fā)射功率，BLE堆棧集成了DC-DC轉換器的配置。堆棧通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)工具包（SDK）來(lái)提供，該工具包已與集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）完全集成。IDE包含一個(gè)網(wǎng)絡(luò )分析器，可直接從SoC無(wú)線(xiàn)電捕獲數據。先進(jìn)的能量監控器還將功耗與代碼位置相關(guān)聯(lián)。包含可視GATT配置器，以實(shí)現標準的藍牙SIG配置文件或自定義服務(wù)。這些工具允許開(kāi)發(fā)與硬件設計完全集成的BLE應用程序，使開(kāi)發(fā)人員可以專(zhuān)注于影響功耗的更高級別的設計選擇。此外，SDK中還集成了安全的引導加載程序，支持通過(guò)OTA和通過(guò)串行接口進(jìn)行固件更新。

嵌入式微處理器基準聯(lián)盟開(kāi)發(fā)的IoTMark-BLE基準配置文件可以幫助評估功耗。它闡明了仿真傳感器，邊緣節點(diǎn)處理器和仿真網(wǎng)關(guān)之間的通信路徑?；鶞蕼y試測量為邊緣節點(diǎn)平臺供電和運行基準測試提供的測試所需的能量。

先進(jìn)的硬件和強大的軟件相結合，使應用程序開(kāi)發(fā)人員可以在多個(gè)設備上執行自己的基準測試。這是在選擇BLE SoC之前應采取的推薦方法。盡管最初耗時(shí)較多，但這種方法被證明是非常有價(jià)值的，并且有助于揭示由于缺少硬件功能或軟件功能不佳而導致的隱藏挑戰。

標準化基準測試策略的開(kāi)發(fā)還可以幫助開(kāi)發(fā)人員比較多個(gè)供應商的設備。嵌入式微處理器基準聯(lián)盟（EEMBC）開(kāi)發(fā)的IoTMark-BLE基準配置文件為評估功耗提供了有用的工具。IoTMark-BLE基準測試配置文件通過(guò)睡眠，通告和連接模式操作，對由I2C傳感器和BLE無(wú)線(xiàn)電組成的真實(shí)IoT邊緣節點(diǎn)進(jìn)行建模。

盡管此IoTMark-BLE基準測試可能并不適合所有用例，但它可以作為為任何給定應用程序開(kāi)發(fā)適當方案的基礎。

簡(jiǎn)而言之，對供應商數據表的并排比較可能會(huì )導致代價(jià)高昂的誤解和錯誤陳述。BLE SoC的分析必須在系統級進(jìn)行，如比較SoC中的板載和外部DC-DC轉換器模塊時(shí)所示。第三方基準通?？梢詭椭_定比較分析的外觀(guān)。