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選擇正確的藍(lán)牙低功耗SoC
選擇正確的藍(lán)牙低功耗SoC
優(yōu)化藍(lán)牙低功耗（BLE）應(yīng)用以最小化能耗可能是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。了解BLE和底層的片上系統(tǒng)（SoC）架構(gòu)對(duì)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(gè)系統(tǒng)的功耗降至最低。
在藍(lán)牙內(nèi)部，BLE已保護(hù)了大量的插座。在無線設(shè)計(jì)中選擇BLE的最關(guān)鍵原因之一是其無處不在，這要?dú)w功于它在智能手機(jī)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(diǎn)都由電池供電，因此較長的電池壽命非常有價(jià)值。
盡管聽起來似乎很明顯，但選擇BLE設(shè)備首先要評(píng)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(huì)變成一項(xiàng)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(shí)BLE SoC的泄漏電流與85°C或更高時(shí)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(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(dāng)內(nèi)部DC-DC轉(zhuǎn)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，考慮無線SoC的接收或發(fā)送模式中的有功電流。許多BLE SoC報(bào)告的電流消耗為幾毫安。例如，Silicon Labs的EFR32BG22 SoC在0 dBm時(shí)的無線電接收電流為2.6 mA，發(fā)射電流為3.5 mA。請(qǐng)注意，這些數(shù)字僅與SoC RF收發(fā)器有關(guān)。在SoC級(jí)別，這些電流分別稍高一些，分別為3.6 mA和4.1 mA。一個(gè)常見的錯(cuò)誤是僅依靠無線電編號(hào)來進(jìn)行SoC電流消耗。設(shè)備文檔的首頁通常必須通過對(duì)數(shù)據(jù)表的全面分析進(jìn)行驗(yàn)證。
另一個(gè)示例是以微安每兆赫茲為單位報(bào)告的CPU功耗。在密集計(jì)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(biāo)準(zhǔn)。通常在最佳情況下進(jìn)行報(bào)告，通常是CPU的最大頻率。換句話說，當(dāng)SoC CPU的工作頻率與制造商文檔中指定的頻率不同時(shí)，數(shù)據(jù)表中顯示的值可能會(huì)被證明非常不準(zhǔn)確。
第三個(gè)例子是深度睡眠電流，這對(duì)于電池供電的最終產(chǎn)品至關(guān)重要。這個(gè)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(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(jié)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(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(yùn)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(hào)的缺乏標(biāo)準(zhǔn)化可能會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的比較結(jié)果，從而最終導(dǎo)致選擇錯(cuò)誤的器件。
評(píng)估BLE SoC時(shí)，請(qǐng)考慮應(yīng)用程序要求，這一點(diǎn)很重要。大多數(shù)供應(yīng)商都試圖以負(fù)責(zé)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(shí)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(biāo)。必須將這些當(dāng)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(duì)平均功耗的合理估計(jì)。此類模型通常包括開/關(guān)占空比，因?yàn)橹赖驼伎毡葘⒂欣诰哂凶畹蜕疃人唠娏鞯?span>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(shù)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(yīng)用（例如子計(jì)量）中的關(guān)鍵選擇標(biāo)準(zhǔn)，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(gè)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(gè)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(dú)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(gè)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(chǔ)器也很重要。BLE終端節(jié)點(diǎn)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(jì)。但是，事實(shí)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(shí)要高得多。對(duì)OTA更新的詳細(xì)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(gè)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(dú)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(gè)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(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(jié)點(diǎn)（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(dāng)禁用片上DC-DC轉(zhuǎn)換器時(shí)，從片上閃存運(yùn)行Coremark時(shí)，Arm Cortex-M33 CPU要求54 μA / MHz。當(dāng)激活相同的DC-DC轉(zhuǎn)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?yàn)樗梢源砉念A(yù)算的很大一部分，又因?yàn)楫?dāng)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(shè)計(jì)的角度來看，低泄漏SRAM塊的使用使硅設(shè)計(jì)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(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(dú)立可選的SRAM塊，總共32 kB的片上RAM。
最后，時(shí)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(dòng)的，其詳細(xì)信息幾乎對(duì)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(duì)無線電活動(dòng)進(jìn)行高度優(yōu)化的調(diào)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(fèi)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(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(gè)網(wǎng)絡(luò)分析器，可直接從SoC無線電捕獲數(shù)據(jù)。先進(jìn)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(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)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(jì)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(jí)別的設(shè)計(jì)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(jìn)行固件更新。
嵌入式微處理器基準(zhǔn)聯(lián)盟開發(fā)的IoTMark-BLE基準(zhǔn)配置文件可以幫助評(píng)估功耗。它闡明了仿真?zhèn)鞲衅?，邊緣?jié)點(diǎn)處理器和仿真網(wǎng)關(guān)之間的通信路徑?；鶞?zhǔn)測試測量為邊緣節(jié)點(diǎn)平臺(tái)供電和運(yùn)行基準(zhǔn)測試提供的測試所需的能量。
先進(jìn)的硬件和強(qiáng)大的軟件相結(jié)合，使應(yīng)用程序開發(fā)人員可以在多個(gè)設(shè)備上執(zhí)行自己的基準(zhǔn)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(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(dǎo)致的隱藏挑戰(zhàn)。
標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)測試策略的開發(fā)還可以幫助開發(fā)人員比較多個(gè)供應(yīng)商的設(shè)備。嵌入式微處理器基準(zhǔn)聯(lián)盟（EEMBC）開發(fā)的IoTMark-BLE基準(zhǔn)配置文件為評(píng)估功耗提供了有用的工具。IoTMark-BLE基準(zhǔn)測試配置文件通過睡眠，通告和連接模式操作，對(duì)由I2C傳感器和BLE無線電組成的真實(shí)IoT邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模。
盡管此IoTMark-BLE基準(zhǔn)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(dāng)方案的基礎(chǔ)。
簡而言之，對(duì)供應(yīng)商數(shù)據(jù)表的并排比較可能會(huì)導(dǎo)致代價(jià)高昂的誤解和錯(cuò)誤陳述。BLE SoC的分析必須在系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行，如比較SoC中的板載和外部DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊時(shí)所示。第三方基準(zhǔn)通常可以幫助確定比較分析的外觀。