采用蓝牙低功耗和SoC实现电池10年使用寿命

对于许多小的、便携式物联网（IoT）应用，“圣杯”是无线联接使用的纽扣电池使用寿命达10年。这并非易事，因为大多数便宜的纽扣电池提供的最大容量仅约240 mAh。通过选择睡眠电流消耗低的无线电系统单芯片（SoC），短距离和长距离无线联接都可以达到10年。

为了使容量较低的纽扣电池如240 mAh获得10年的电池使用寿命，无线设备通常在大部分时间处于睡眠状态，只是偶尔被唤醒以进行无线传输，如下图1所示。例如，相对于5秒的传输间隔（每小时120个无线传输）而言，7毫秒的唤醒时间产生的占空比为0.14％唤醒时间和99.86％休眠时间。因此纽扣电池要实现10年电池使用寿命，低功耗的深度睡眠必不可少。

图1.睡眠和唤醒时间占空比

为了达到10年的电池使用寿命，蓝牙低功耗是短距离到中距离无线联接的首选，取决于发射（Tx）和接收（Rx）功率，通常为30至50米。对于任何超过1000米的更长距离，Sub Gigahertz软件定义的无线电（SDR）是理想的选择。

蓝牙低功耗

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蓝牙低功耗使用40通道分区（相隔2 MHz）在2.4 GHz ISM频段运行。三个RF通道（37、38和39）专用于广告功能，可发现附近可用的设备。通道0-36专用于数据。广告通道（图2）分配在频谱的不同部分，以提供抗802.11 / Wi-Fi干扰的能力。

图2.蓝牙低功耗广告通道

广告包

广告包的数据单元称为协议数据单元（PDU），具有一个两字节的标头，用于指定数据有效载荷的类型和长度，最多37个字节（广告地址为6个字节，数据为31个字节）。

图3.蓝牙低功耗广告包

可联接的对比不可联接的

蓝牙低功耗广告包可以是可联接的（Connectable）或不可联接的（Non-connectable）。图4描绘了功率分析仪捕获的RSL10系统级封装（RSL10 SIP）蓝牙低功耗模块可联接（左）和不联连接（右）的“ 3广告”事件，发送功率均为0 dbm。虽然两个事件都使用通道37、38和39，并持续7毫秒，但Connectable事件包括每个通道的RX脉冲。这是有道理的，因为Connectable事件也希望接收。所得的功率分析仪测量结果显示可联接的平均电流为711.624uA，不可联接的为504.307uA。同时，对于蓝牙低功耗协议栈，RSL10 SIP的深度睡眠电流为160 nA（用于保留16 kbB RAM），并运行一个内部计时器以自唤醒。

图4.可联接的对比不可联接的广告包

RSL10 SIP电池使用寿命（5字节）

在上述条件下，图5证实RSL10 SIP实际电池寿命将在10.97年（2.5秒广告间隔，可联接的）到27.26年（5秒广告间隔，不可联接的）之间。这些计算基于使用240 mA CR2032纽扣电池和5字节数据传输（PDU）。

图5. RSL10 SIP实际电池使用寿命

理想的电池使用寿命对比实际的电池使用寿命

锂离子纽扣电池随附数据表，绘制给定负载的连续放电特性。在图6中的CR2032电池示例中，该图捕获了恒定190 uA负载的放电曲线。捕获的图5中RSL10 SIP平均电流范围为865nA至1.57uA，比190 uA曲线轻得多。

当我计算“理想VBAT”时，我用库仑计测量240 mAh ，从100％充满电量到0％电量为空，由标有“理想VBAT”的红色虚线表示。纽扣电池实际上永远不会表现出红色虚线。知道“实际VBAT”放电曲线位于红色虚线和蓝色CR2032 190 uA放电曲线之间的某个位置，因此我已将“理想VBAT”降额15％，以得出绿色的“实际VBAT”放电曲线。

图6.连续放电特性

如果将数据大小从5字节增加到31字节，则下面的图7展示了RSL10 SIP电池的使用寿命。

图7. RSL10 SIP电池使用寿命（31字节）

专有RF协议

专有的Sub-GHz无线电旨在用于更长距离的无线传输。凭借153 db（16 dbm Tx功率和-135 Rx灵敏度）的链路预算，AXM0F24窄带SoC可以传输37公里或23英里（915MHz，30db衰减余量）的距离。对于1.1公里的距离，AXM0F243超过了所需的10年实际电池使用寿命。

图8.AXM0F243实际电池使用寿命

使用合适的无线电SoC用于短距离和长距离传输都完全有可能实现10年的电池使用寿命。

审核编辑：郭婷