选择正确的蓝牙低功耗SoC

2021-05-11

选择正确的蓝牙低功耗SoC

优化蓝牙低功耗（BLE）应用以最小化能耗可能是一项挑战。了解BLE和底层的片上系统（SoC）架构对于延长电池寿命至关重要。深入了解BLE操作模式（例如广告和睡眠）尤其重要。通过向堆栈提供正确的输入并利用BLE SoC的硬件功能，有多种方法可将整个系统的功耗降至最低。

在蓝牙内部，BLE已保护了大量的插座。在无线设计中选择BLE的最关键原因之一是其无处不在，这要归功于它在智能手机中的广泛部署以及能够延长电池寿命的能力。由于大多数IoT终端节点都由电池供电，因此较长的电池寿命非常有价值。

尽管听起来似乎很明显，但选择BLE设备首先要评估其文档。尽管最初的数据挖掘过程似乎微不足道，但半导体器件数据表的比较很快就会变成一项复杂的任务。

如EFR32BG22 BLE SoC的这些电源电流图中所示，在25°C时BLE SoC的泄漏电流与85°C或更高时的泄漏电流有显着差异。从图中还可以明显看出，电源电流在很大程度上取决于SoC时钟频率。此处上方的图表适用于EM0活动模式，下方的图表适用于EM1睡眠模式。两幅图均表示当内部DC-DC转换器与3V电源一起使用时的芯片电流。点击图片放大。

例如，考虑无线SoC的接收或发送模式中的有功电流。许多BLE SoC报告的电流消耗为几毫安。例如，Silicon Labs的EFR32BG22 SoC在0 dBm时的无线电接收电流为2.6 mA，发射电流为3.5 mA。请注意，这些数字仅与SoC RF收发器有关。在SoC级别，这些电流分别稍高一些，分别为3.6 mA和4.1 mA。一个常见的错误是仅依靠无线电编号来进行SoC电流消耗。设备文档的首页通常必须通过对数据表的全面分析进行验证。

另一个示例是以微安每兆赫兹为单位报告的CPU功耗。在密集计算应用程序的情况下，此数字可以成为决定性的选择标准。通常在最佳情况下进行报告，通常是CPU的最大频率。换句话说，当SoC CPU的工作频率与制造商文档中指定的频率不同时，数据表中显示的值可能会被证明非常不准确。

第三个例子是深度睡眠电流，这对于电池供电的最终产品至关重要。这个数字通常在数百纳安到几微安之间。确保深度睡眠电流数量与保留的RAM大小相关并包括实时时钟（RTC）电流消耗至关重要。RTC与精确的睡眠时钟源结合在一起，可用于维持BLE正常工作所需的时序。在EFR32BG22 SoC的情况下，数据手册的首页提到了在EM2模式下的深度睡眠电流为1.40 µA，其中保留了32 kB RAM，并且RTC从LXCO（低频晶体振荡器）运行。数据表的电流消耗部分提供了更多信息。

因此，数据表中功率编号的缺乏标准化可能会产生错误的比较结果，从而最终导致选择错误的器件。

了解应用程序要求

评估BLE SoC时，请考虑应用程序要求，这一点很重要。大多数供应商都试图以负责任的态度来表示他们的数量，但是不可能为可能在多种不同应用中使用的设备处理所有用例。这是最终应用程序知识变得至关重要的地方。

选择BLE SoC时，活动电流和睡眠电流是关键指标。必须将这些当前数字插入到与应用环境紧密匹配的模型中，以产生对平均功耗的合理估计。此类模型通常包括开/关占空比，因为知道低占空比将有利于具有最低深度睡眠电流的SoC。高占空比将有利于具有最低有效电流的SoC。

另一个参数可能是最终产品的环境温度，要了解BLE SoC在25°C时的泄漏电流与85°C或更高温度下的泄漏电流明显不同。高温下的泄漏电流可能是工业应用（例如子计量）中的关键选择标准，子应用需要在高温下保证电池寿命。

该应用程序的另一个重要元素涉及所用电池技术的类型（在电池供电的最终产品中）。电池为集成在最新BLE SoC中的片上DC-DC转换器供电。使用DC-DC转换器将显着降低整个SoC的有功电流消耗。一些复杂的SoC可能集成用于无线电和CPU的单独的DC-DC转换器。这种做法提供了一种优化的解决方案，但是很明显的趋势是只有一个转换器可以最大程度地降低SoC的成本。

最后，了解如何使用片内或片外存储器也很重要。BLE终端节点的常见要求是执行软件的空中下载（OTA）更新。根据要传输图像的大小，外部闪存设备可能很经济。但是，事实证明，其增加的功耗和潜在的安全问题可能比使用片上闪存时要高得多。对OTA更新的详细分析将有助于确定最合适的内存物料清单。

EFR32BG22是集成了片上DC-DC转换器的BLE SoC的示例。使用DC-DC转换器将显着降低整个SoC的有功电流消耗。一些复杂的SoC可能集成用于无线电和CPU的单独的DC-DC转换器。这种做法提供了一种优化的解决方案，但是很明显的趋势是只有一个转换器可以最大程度地降低SoC的成本。

近年来，BLE SoC大大降低了其总有功电流消耗，同时保持了较低的深度睡眠电流。原因是硅技术从较大的几何尺寸（0.18 µm，90 nm和65 nm）迁移到了更优化的技术节点（55 nm和40 nm）。40 nm几何形状的使用与片上DC-DC转换器的集成相结合，极大地降低了EFR32BG22 SoC的总体电流消耗。

例如，当禁用片上DC-DC转换器时，从片上闪存运行Coremark时，Arm Cortex-M33 CPU要求54 µA / MHz。当激活相同的DC-DC转换器时，相同的操作仅需要37 µA / MHz。

在深度睡眠模式下，RAM保留至关重要，这既因为它可以代表功耗预算的很大一部分，又因为当BLE SoC必须返回到活动模式时，RAM保留将允许更快的启动。从设计的角度来看，低泄漏SRAM块的使用使硅设计人员能够将深度睡眠电流保持在1µA的范围内。选择BLE SoC时的另一个关键考虑因素是每个SRAM模块的大小可能会有所不同。选择要保留的RAM大小的能力将有助于最大程度地减少深度睡眠模式下的功耗。EFR32BG22 SoC集成了独立可选的SRAM块，总共32 kB的片上RAM。

最后，时钟门控和电源门控技术的结合使BLE SoC可以根据其工作模式完全关闭设备的某些部分。这些功能的激活是自动的，其详细信息几乎对于应用程序开发人员是不可见的。

软件启用

在BLE应用中将功耗降至最低要求对无线电活动进行高度优化的调度，从而在保持协议所需的精确时序的同时，将在尽可能低的能量模式下花费的时间最大化。为了精确控制发射功率，BLE堆栈集成了DC-DC转换器的配置。堆栈通过软件开发工具包（SDK）来提供，该工具包已与集成开发环境（IDE）完全集成。IDE包含一个网络分析器，可直接从SoC无线电捕获数据。先进的能量监控器还将功耗与代码位置相关联。包含可视GATT配置器，以实现标准的蓝牙SIG配置文件或自定义服务。这些工具允许开发与硬件设计完全集成的BLE应用程序，使开发人员可以专注于影响功耗的更高级别的设计选择。此外，SDK中还集成了安全的引导加载程序，支持通过OTA和通过串行接口进行固件更新。

嵌入式微处理器基准联盟开发的IoTMark-BLE基准配置文件可以帮助评估功耗。它阐明了仿真传感器，边缘节点处理器和仿真网关之间的通信路径。基准测试测量为边缘节点平台供电和运行基准测试提供的测试所需的能量。

先进的硬件和强大的软件相结合，使应用程序开发人员可以在多个设备上执行自己的基准测试。这是在选择BLE SoC之前应采取的推荐方法。尽管最初耗时较多，但这种方法被证明是非常有价值的，并且有助于揭示由于缺少硬件功能或软件功能不佳而导致的隐藏挑战。

标准化基准测试策略的开发还可以帮助开发人员比较多个供应商的设备。嵌入式微处理器基准联盟（EEMBC）开发的IoTMark-BLE基准配置文件为评估功耗提供了有用的工具。IoTMark-BLE基准测试配置文件通过睡眠，通告和连接模式操作，对由I2C传感器和BLE无线电组成的真实IoT边缘节点进行建模。

尽管此IoTMark-BLE基准测试可能并不适合所有用例，但它可以作为为任何给定应用程序开发适当方案的基础。

简而言之，对供应商数据表的并排比较可能会导致代价高昂的误解和错误陈述。BLE SoC的分析必须在系统级进行，如比较SoC中的板载和外部DC-DC转换器模块时所示。第三方基准通常可以帮助确定比较分析的外观。