對于許多小的、便攜式物聯網（IoT）應用，“圣杯”是無線聯接使用的紐扣電池使用壽命達10年。這并非易事，因為大多數便宜的紐扣電池提供的最大容量僅約240 mAh。通過選擇睡眠電流消耗低的無線電系統單芯片（SoC），短距離和長距離無線聯接都可以達到10年。

為了使容量較低的紐扣電池如240 mAh獲得10年的電池使用壽命，無線設備通常在大部分時間處于睡眠狀態，只是偶爾被喚醒以進行無線傳輸，如下圖1所示。例如，相對于5秒的傳輸間隔（每小時120個無線傳輸）而言，7毫秒的喚醒時間產生的占空比為0.14％喚醒時間和99.86％休眠時間。因此紐扣電池要實現10年電池使用壽命，低功耗的深度睡眠必不可少。

圖1.睡眠和喚醒時間占空比

為了達到10年的電池使用壽命，藍牙低功耗是短距離到中距離無線聯接的首選，取決于發射（Tx）和接收（Rx）功率，通常為30至50米。對于任何超過1000米的更長距離，Sub Gigahertz軟件定義的無線電（SDR）是理想的選擇。

藍牙低功耗

廣告

藍牙低功耗使用40通道分區（相隔2 MHz）在2.4 GHz ISM頻段運行。三個RF通道（37、38和39）專用于廣告功能，可發現附近可用的設備。通道0-36專用于數據。廣告通道（圖2）分配在頻譜的不同部分，以提供抗802.11 / Wi-Fi干擾的能力。

圖2.藍牙低功耗廣告通道

廣告包

廣告包的數據單元稱為協議數據單元（PDU），具有一個兩字節的標頭，用于指定數據有效載荷的類型和長度，最多37個字節（廣告地址為6個字節，數據為31個字節）。

圖3.藍牙低功耗廣告包

可聯接的對比不可聯接的

藍牙低功耗廣告包可以是可聯接的（Connectable）或不可聯接的（Non-connectable）。圖4描繪了功率分析儀捕獲的RSL10系統級封裝（RSL10 SIP）藍牙低功耗模塊可聯接（左）和不聯連接（右）的“ 3廣告”事件，發送功率均為0 dbm。雖然兩個事件都使用通道37、38和39，并持續7毫秒，但Connectable事件包括每個通道的RX脈沖。這是有道理的，因為Connectable事件也希望接收。所得的功率分析儀測量結果顯示可聯接的平均電流為711.624uA，不可聯接的為504.307uA。同時，對于藍牙低功耗協議棧，RSL10 SIP的深度睡眠電流為160 nA（用于保留16 kbB RAM），并運行一個內部計時器以自喚醒。

圖4.可聯接的對比不可聯接的廣告包

RSL10 SIP電池使用壽命（5字節）

在上述條件下，圖5證實RSL10 SIP實際電池壽命將在10.97年（2.5秒廣告間隔，可聯接的）到27.26年（5秒廣告間隔，不可聯接的）之間。這些計算基于使用240 mA CR2032紐扣電池和5字節數據傳輸（PDU）。

圖5. RSL10 SIP實際電池使用壽命

理想的電池使用壽命對比實際的電池使用壽命

鋰離子紐扣電池隨附數據表，繪制給定負載的連續放電特性。在圖6中的CR2032電池示例中，該圖捕獲了恒定190 uA負載的放電曲線。捕獲的圖5中RSL10 SIP平均電流范圍為865nA至1.57uA，比190 uA曲線輕得多。

當我計算“理想VBAT”時，我用庫侖計測量240 mAh ，從100％充滿電量到0％電量為空，由標有“理想VBAT”的紅色虛線表示。紐扣電池實際上永遠不會表現出紅色虛線。知道“實際VBAT”放電曲線位于紅色虛線和藍色CR2032 190 uA放電曲線之間的某個位置，因此我已將“理想VBAT”降額15％，以得出綠色的“實際VBAT”放電曲線。

圖6.連續放電特性

如果將數據大小從5字節增加到31字節，則下面的圖7展示了RSL10 SIP電池的使用壽命。

圖7. RSL10 SIP電池使用壽命（31字節）

專有RF協議

專有的Sub-GHz無線電旨在用于更長距離的無線傳輸。憑借153 db（16 dbm Tx功率和-135 Rx靈敏度）的鏈路預算，AXM0F24窄帶SoC可以傳輸37公里或23英里（915MHz，30db衰減余量）的距離。對于1.1公里的距離，AXM0F243超過了所需的10年實際電池使用壽命。

圖8.AXM0F243實際電池使用壽命

使用合適的無線電SoC用于短距離和長距離傳輸都完全有可能實現10年的電池使用壽命。

審核編輯：郭婷