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選擇正確的藍牙低功耗SoC
選擇正確的藍牙低功耗SoC
優(yōu)化藍牙低功耗（BLE）應(yīng)用以最小化能耗可能是一項挑戰(zhàn)。了解BLE和底層的片上系統(tǒng)（SoC）架構(gòu)對于延長電池壽命至關(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系統(tǒng)的功耗降至最低。
在藍牙內(nèi)部，BLE已保護了大量的插座。在無線設(shè)計中選擇BLE的最關(guān)鍵原因之一是其無處不在，這要歸功于它在智能手機中的廣泛部署以及能夠延長電池壽命的能力。由于大多數(shù)IoT終端節(jié)點都由電池供電，因此較長的電池壽命非常有價值。
盡管聽起來似乎很明顯，但選擇BLE設(shè)備首先要評估其文檔。盡管最初的數(shù)據(jù)挖掘過程似乎微不足道，但半導(dǎo)體器件數(shù)據(jù)表的比較很快就會變成一項復(fù)雜的任務(wù)。
如EFR32BG22 BLE SoC的這些電源電流圖中所示，在25°C時BLE SoC的泄漏電流與85°C或更高時的泄漏電流有顯著差異。從圖中還可以明顯看出，電源電流在很大程度上取決于SoC時鐘頻率。此處上方的圖表適用于EM0活動模式，下方的圖表適用于EM1睡眠模式。兩幅圖均表示當內(nèi)部DC-DC轉(zhuǎn)換器與3V電源一起使用時的芯片電流。點擊圖片放大。
例如，考慮無線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時的無線電接收電流為2.6 mA，發(fā)射電流為3.5 mA。請注意，這些數(shù)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。一個常見的錯誤是僅依靠無線電編號來進行SoC電流消耗。設(shè)備文檔的首頁通常必須通過對數(shù)據(jù)表的全面分析進行驗證。
另一個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(yīng)用程序的情況下，此數(shù)字可以成為決定性的選擇標準。通常在最佳情況下進行報告，通常是CPU的最大頻率。換句話說，當SoC CPU的工作頻率與制造商文檔中指定的頻率不同時，數(shù)據(jù)表中顯示的值可能會被證明非常不準確。
第三個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。這個數(shù)字通常在數(shù)百納安到幾微安之間。確保深度睡眠電流數(shù)量與保留的RAM大小相關(guān)并包括實時時鐘（RTC）電流消耗至關(guān)重要。RTC與精確的睡眠時鐘源結(jié)合在一起，可用于維持BLE正常工作所需的時序。在EFR32BG22 SoC的情況下，數(shù)據(jù)手冊的首頁提到了在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(shù)據(jù)表的電流消耗部分提供了更多信息。
因此，數(shù)據(jù)表中功率編號的缺乏標準化可能會產(chǎn)生錯誤的比較結(jié)果，從而最終導(dǎo)致選擇錯誤的器件。
評估BLE SoC時，請考慮應(yīng)用程序要求，這一點很重要。大多數(shù)供應(yīng)商都試圖以負責任的態(tài)度來表示他們的數(shù)量，但是不可能為可能在多種不同應(yīng)用中使用的設(shè)備處理所有用例。這是最終應(yīng)用程序知識變得至關(guān)重要的地方。
選擇BLE SoC時，活動電流和睡眠電流是關(guān)鍵指標。必須將這些當前數(shù)字插入到與應(yīng)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。此類模型通常包括開/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。
另一個參數(shù)可能是最終產(chǎn)品的環(huán)境溫度，要了解BLE SoC在25°C時的泄漏電流與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(yīng)用（例如子計量）中的關(guān)鍵選擇標準，子應(yīng)用需要在高溫下保證電池壽命。
該應(yīng)用程序的另一個重要元素涉及所用電池技術(shù)的類型（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(zhuǎn)換器供電。使用DC-DC轉(zhuǎn)換器將顯著降低整個SoC的有功電流消耗。一些復(fù)雜的SoC可能集成用于無線電和CPU的單獨的DC-DC轉(zhuǎn)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轉(zhuǎn)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(nèi)或片外存儲器也很重要。BLE終端節(jié)點的常見要求是執(zhí)行軟件的空中下載（OTA）更新。根據(jù)要傳輸圖像的大小，外部閃存設(shè)備可能很經(jīng)濟。但是，事實證明，其增加的功耗和潛在的安全問題可能比使用片上閃存時要高得多。對OTA更新的詳細分析將有助于確定最合適的內(nèi)存物料清單。
EFR32BG22是集成了片上DC-DC轉(zhuǎn)換器的BLE SoC的示例。使用DC-DC轉(zhuǎn)換器將顯著降低整個SoC的有功電流消耗。一些復(fù)雜的SoC可能集成用于無線電和CPU的單獨的DC-DC轉(zhuǎn)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轉(zhuǎn)換器可以最大程度地降低SoC的成本。
近年來，BLE SoC大大降低了其總有功電流消耗，同時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(jié)點（55 nm和40 nm）。40 nm幾何形狀的使用與片上DC-DC轉(zhuǎn)換器的集成相結(jié)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(zhuǎn)換器時，從片上閃存運行Coremark時，Arm Cortex-M33 CPU要求54 μA / MHz。當激活相同的DC-DC轉(zhuǎn)換器時，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(yù)算的很大一部分，又因為當BLE SoC必須返回到活動模式時，RAM保留將允許更快的啟動。從設(shè)計的角度來看，低泄漏SRAM塊的使用使硅設(shè)計人員能夠?qū)⑸疃人唠娏鞅３衷?span>1μA的范圍內(nèi)。選擇BLE SoC時的另一個關(guān)鍵考慮因素是每個SRAM模塊的大小可能會有所不同。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，時鐘門控和電源門控技術(shù)的結(jié)合使BLE SoC可以根據(jù)其工作模式完全關(guān)閉設(shè)備的某些部分。這些功能的激活是自動的，其詳細信息幾乎對于應(yīng)用程序開發(fā)人員是不可見的。
在BLE應(yīng)用中將功耗降至最低要求對無線電活動進行高度優(yōu)化的調(diào)度，從而在保持協(xié)議所需的精確時序的同時，將在盡可能低的能量模式下花費的時間最大化。為了精確控制發(fā)射功率，BLE堆棧集成了DC-DC轉(zhuǎn)換器的配置。堆棧通過軟件開發(fā)工具包（SDK）來提供，該工具包已與集成開發(fā)環(huán)境（IDE）完全集成。IDE包含一個網(wǎng)絡(luò)分析器，可直接從SoC無線電捕獲數(shù)據(jù)。先進的能量監(jiān)控器還將功耗與代碼位置相關(guān)聯(lián)。包含可視GATT配置器，以實現(xiàn)標準的藍牙SIG配置文件或自定義服務(wù)。這些工具允許開發(fā)與硬件設(shè)計完全集成的BLE應(yīng)用程序，使開發(fā)人員可以專注于影響功耗的更高級別的設(shè)計選擇。此外，SDK中還集成了安全的引導(dǎo)加載程序，支持通過OTA和通過串行接口進行固件更新。
嵌入式微處理器基準聯(lián)盟開發(fā)的IoTMark-BLE基準配置文件可以幫助評估功耗。它闡明了仿真?zhèn)鞲衅鳎吘壒?jié)點處理器和仿真網(wǎng)關(guān)之間的通信路徑。基準測試測量為邊緣節(jié)點平臺供電和運行基準測試提供的測試所需的能量。
先進的硬件和強大的軟件相結(jié)合，使應(yīng)用程序開發(fā)人員可以在多個設(shè)備上執(zhí)行自己的基準測試。這是在選擇BLE SoC之前應(yīng)采取的推薦方法。盡管最初耗時較多，但這種方法被證明是非常有價值的，并且有助于揭示由于缺少硬件功能或軟件功能不佳而導(dǎo)致的隱藏挑戰(zhàn)。
標準化基準測試策略的開發(fā)還可以幫助開發(fā)人員比較多個供應(yīng)商的設(shè)備。嵌入式微處理器基準聯(lián)盟（EEMBC）開發(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睡眠，通告和連接模式操作，對由I2C傳感器和BLE無線電組成的真實IoT邊緣節(jié)點進行建模。
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(yīng)用程序開發(fā)適當方案的基礎(chǔ)。
簡而言之，對供應(yīng)商數(shù)據(jù)表的并排比較可能會導(dǎo)致代價高昂的誤解和錯誤陳述。BLE SoC的分析必須在系統(tǒng)級進行，如比較SoC中的板載和外部DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊時所示。第三方基準通常可以幫助確定比較分析的外觀。