使用專用IC和插入式模塊滿足設(shè)計中的BLE峰值功率需求

低功耗藍(lán)牙（BLE），也稱為藍(lán)牙智能，可為可穿戴設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和其他智能設(shè)備提供高效的連接和互操作性。對于設(shè)計人員而言，這些設(shè)計中有限的功耗預(yù)算繼續(xù)挑戰(zhàn)他們滿足消費(fèi)者對連接和延長操作時間的需求。通過了解BLE峰值功率需求，工程師可以使用來自Dialog Semiconductor，Laird Embedded Wireless Solutions，Murata Electronics，Panasonic和Texas Instruments等制造商的可用IC和模塊來滿足嚴(yán)格的功率預(yù)算和高效連接要求。

可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的快速接受使人們對利用低功耗設(shè)計方法（包括能量收集）的能力產(chǎn)生了濃厚的興趣，以延長電池的使用壽命，甚至完全消除它們。消費(fèi)者對簡單無線連接的需求繼續(xù)挑戰(zhàn)設(shè)計人員平衡可用電源與應(yīng)用所需功率的能力，特別是無線通信。

在無線通信中，功耗是一系列復(fù)雜因素的函數(shù)。在考慮設(shè)計的功率預(yù)算時，工程師不僅必須在接收，發(fā)送和靜止?fàn)顟B(tài)中包含更熟悉的設(shè)備電流要求，還要考慮與通信協(xié)議本身相關(guān)的功率要求。能夠快速初始化，快速傳輸短脈沖數(shù)據(jù)并快速返回睡眠狀態(tài)的簡單協(xié)議通常會導(dǎo)致總體功耗要求低于可能提供更復(fù)雜功能但需要更多時間和功率的協(xié)議所以。

對于某些應(yīng)用，在指定的功率預(yù)算內(nèi)實(shí)現(xiàn)傳輸范圍和數(shù)據(jù)速率的特定目標(biāo)的需要可以規(guī)定使用自定義通信協(xié)議。在這里，協(xié)議設(shè)計人員可以減少開銷 - 例如，交易降低了靈活性，適用于更長的范圍，更高的吞吐量和更低的功耗。然而，對于新興的可穿戴和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用類別，基于標(biāo)準(zhǔn)的通信是充滿已安裝產(chǎn)品基礎(chǔ)的市場的基本要求，包括智能手機(jī)，平板電腦和其他移動設(shè)備。為了與這些產(chǎn)品進(jìn)行通信，藍(lán)牙已成為常見的連接選項，BLE已迅速成為將可穿戴設(shè)備和其他個人電子設(shè)備連接到這些主機(jī)的首選方案。

小型有效載荷

BLE經(jīng)過優(yōu)化，可以盡可能快速，高效地提供小型有效載荷，旨在消耗最少的功率，并以最低的延遲與最大范圍的主機(jī)設(shè)備進(jìn)行通信。實(shí)際上，BLE能夠?qū)崿F(xiàn)260 kbps的數(shù)據(jù)速率，但代價是增加的功率要求可能會使許多可穿戴設(shè)備或物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用超出其功率預(yù)算。需要更高數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用最好通過藍(lán)牙BR/EDR等其他連接選項提供服務(wù)。

可穿戴設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和大多數(shù)傳感器應(yīng)用程序?qū)⒋蟛糠謺r間用于睡眠或靜止操作狀態(tài)，由外部事件喚醒或由定時器定期處理數(shù)據(jù)。因此，靜態(tài)功耗至關(guān)重要。同時，快速喚醒的能力對于最大化電力利用效率是重要的。功率受限的設(shè)計可能無法承受冗長的初始化階段或延長的握手協(xié)議所耗費(fèi)的功率來建立連接會話。

事實(shí)上，BLE低功耗定義的一個重要策略是盡可能地關(guān)閉無線電。當(dāng)需要通信時，BLE使用簡單的通信方法來減少無線電操作時間。實(shí)際上，BLE設(shè)備僅需要3毫秒即可建立連接，完成通信事務(wù)并返回靜止?fàn)顟B(tài)。相比之下，藍(lán)牙可能需要長達(dá)100毫秒才能完成鏈路級連接。

了解BLE峰值功率

對于任何低功耗設(shè)計，無線通信可以決定峰值功率要求，而能量采集設(shè)計可以滿足能量轉(zhuǎn)換，電源管理和能源儲備。在操作期間，通信事務(wù)的不同階段需要不同但很大程度上可預(yù)測的處理時間和連接事件的功率。例如，使用德州儀器CC2541的典型設(shè)計將演示與喚醒，RX，TX和處理相關(guān)的不同峰值功率相位（圖1）。

圖1：在單個連接序列期間，諸如德州儀器CC2541的BLE設(shè)備在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包時表現(xiàn)出多個峰值電流需求。 （由Texas Instruments提供）

對于圖1所示的示例，喚醒階段消耗約6.0 mA并且需要大約400μsec。 （圖中所示的初始尖峰是由于CC2541內(nèi)部穩(wěn)壓器中的電容器充電時突然耗電 - 因為它被喚醒 - 通常通過外部電容器消除了電源尖峰。）喚醒后，器件經(jīng)歷了用于處理的短功率平臺（7.4 mA，340μsec），然后是通信初始化階段，設(shè)備準(zhǔn)備其RX和TX電路。此階段在完整RX階段（17.5 mA，190μsec）之前產(chǎn)生短暫的峰值（11.0 mA，80μsec），其中設(shè)備偵聽來自主設(shè)備的數(shù)據(jù)包。在RX之后，器件短暫返回到基本功率平臺（7.4 mA，105μsec），然后在器件向主器件發(fā)送數(shù)據(jù)包時再次返回其TX峰值功率電平（17.5 mA，115μsec）。在TX之后，設(shè)備返回其基本功率平臺以處理持續(xù)一段時間的處理，該持續(xù)時間在很大程度上取決于應(yīng)用，特別是數(shù)據(jù)有效載荷。在這種情況下，處理階段持續(xù)1280微秒并消耗7.4mA。最后，器件在實(shí)際返回睡眠狀態(tài)之前執(zhí)行到睡眠的轉(zhuǎn)換（4.1 mA，160μsec）。

BLE功率配置文件的具體細(xì)節(jié)當(dāng)然取決于具體應(yīng)用和BLE設(shè)備本身。實(shí)際上，從應(yīng)用程序到應(yīng)用程序，從設(shè)備到設(shè)備，甚至從事件到事件，每個連接事件的總處理時間并不總是完全相同。但是，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)所需的時間和功率通常會保持非常穩(wěn)定。然而，通過了解這種特性的BLE功率曲線，工程師可以更好地優(yōu)化功率受限設(shè)計中的功率預(yù)算，尤其是能量采集設(shè)計。此外，通過預(yù)測峰值需求，設(shè)計人員可以確定能量存儲設(shè)備的需求和所需容量，例如在環(huán)境供電設(shè)計中提供備用電源所需的超級電容器或可充電電池。

降低功耗

工程師可以找到比圖1中建議的更低功率要求的BLE解決方案。例如，德州儀器CC2640僅在5.9 mA時實(shí)現(xiàn)RX，在6.1 mA時實(shí)現(xiàn)TX（0 dBm） ）。作為TI SimpleLink無線系列的成員，CC2640將ARM Cortex-M3 32位內(nèi)核主處理器與專用于無線操作的ARM Cortex-M0相結(jié)合。除了豐富的數(shù)字外設(shè)外，該器件還包括TI的傳感器控制器，包括ADC，比較器和其他模擬外設(shè) - 所有這些都能夠自主收集模擬和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，同時系統(tǒng)的其余部分處于睡眠模式（圖2）。其他SimpleLink設(shè)備（例如TI CC2650）將BLE與其他連接選項（如ZigBee，6LoWPAN等）相結(jié)合。

圖2：對于其CC2640 BLE器件，德州儀器（TI）將多個ARM內(nèi)核與一系列廣泛的數(shù)字和模擬外設(shè)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)自主數(shù)據(jù)采集?？纱┐髟O(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。 （德州儀器公司提供）

Dialog Semiconductor DA14580結(jié)合了ARM Cortex-M0內(nèi)核，BLE內(nèi)核和數(shù)字外設(shè)（圖3），實(shí)現(xiàn)了RX和TX的功耗僅為4.9 mA（0 DBM）。該器件在睡眠模式下僅需600 nA，并且能夠在低至0.9 V的電源電壓下工作.DA14580的集成無線電收發(fā)器實(shí)現(xiàn)了BLE協(xié)議的RF部分，并與藍(lán)牙4.0 PHY層一起提供93 dB RF無線通信的鏈接預(yù)算。

圖3：Dialog Semiconductor DA14580的工作電壓低至0.9 V，睡眠模式下僅需600 nA。 （由Dialog Semiconductor提供）

除了TI CC2640和Dialog DA14580等專用BLE器件外，設(shè)計人員還可以找到結(jié)合了濾波器，晶體，天線和其他分立元件的BLE模塊，以提供完整的BLE連接解決方案。例如，Laird 450-0119 SaBLE-x BLE模塊構(gòu)建了圍繞TI CC2640 IC的插入式解決方案，而Murata Electronics LBCA2HNZYZ模塊和Panasonic PAN1740模塊將Dialog DA14580與提供插入所需的其他組件相結(jié)合。 BLE解決方案。

結(jié)論

對于可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計，藍(lán)牙低功耗提供了一種極具吸引力的無線通信選項，將無處不在的連接與能量收集和電池所需的低功耗性能相結(jié)合 - 動力設(shè)計。通過了解BLE通信的詳細(xì)功率要求，工程師可以解決功率受限設(shè)計中的峰值功率需求。利用可用的專用IC和完整的插入式模塊解決方案，工程師可以快速將BLE無線通信添加到低功耗應(yīng)用中。