无电池式低功耗蓝牙Beacon：采用能量采集技术的BLE

图5 48 MHz频率下处理某个例行程序的电流消耗

图612 MHz频率下处理某个例行程序的电流消耗
 

在本例中，48 MHz频率下处理的例行程序使用了约300μs的时间完成，并在此期间消耗了约10 mA的电流。12 MHz频率下处理的例行程序使用了1.1 ms的时间完成，并在此期间仅消耗了4mA的电流。此过程在12 MHz下的平均电流消耗更高，但峰值电流要求却更低。取决于EHS的容量，我们可以采用一个较短的48 MHz时钟设置，或一个较长的12 MHz时钟设置，或结合采用两者，让时钟频率在不同的过程之间来回切换。在选择优化型系统频率时，我们应该考虑这种电流分配。

2) 低功耗设备启动

嵌入式设备获得供电后，它将完成一个启动程序，然后才能执行应用代码。一个典型的启动程序包括：

a) 初始化内存

b) 设置中断向量

c) 配置外设和通用寄存器

d) 初始化外部时钟(如果有的话)。

这四个步骤的每一步都需占用CPU处理时间才能完成，因此也要消耗能量。所消耗的能量取决于所使用的设备、系统时钟频率、所初始化的内存/寄存器的容量以及设置外部时钟所需的时间。因此，启动过程将消耗大量电能，必需得到优化才能确保不消耗过多的EH输出。编写启动代码时应考虑以下因素：

a) 只初始化那些将被使用的内存和寄存器部分，其它部分维持默认值。

b) 大多数无线系统需要高精度外部时钟。这些外部时钟(如外部时钟振荡器和手表晶体振荡器)在启动后有一个较长的稳定时间。我们不应让系统在活动状态下等待时钟稳定下来，而应将其置于低功耗状态(睡眠/深度睡眠状态)，只有在准备使用它时再唤醒它。我们可以使用一个内部定时器来实现这个目的。

3) 低功耗系统启动

一旦设备开始执行应用代码，通常需要启动系统中的各个外设。这些外设可能位于设备之中，如ADC，也可能位于设备之外，如某个传感器。单个外设的启动时间可能不长，但所有外设的总处理时间可能长到足以耗尽EHS中存储的能量。

我们应该计算指定CPU频率下的外设启动时间，然后确定整体启动所有外设所需的能量预算是否可行(较快)，或是否需要将启动程序分为多个阶段(较慢)。

4) 分阶段应用处理

设备将有不同的应用例行程序，它们需要自己的CPU带宽。这些例行程序可能是为了配置某个外设，从传感器接收数据，执行计算，管理事件或中断。我们应该确保处理所用能量不超过EHS的容量。如果超过了，应将它们分为较小的子例行程序，并分阶段管理它们。这可以将EHS上的负荷分成多个可管理的电流脉冲，从而让EHS能够在活动的CPU进程之间进行充电。

此外，在各个阶段之间，应将系统置于低功耗模式，并将一个计数器或Watchdog计时器用作唤醒源，作为中断。由于系统必需在该模式下保持较长时间，期间的电流要求应尽可能低。

5) 无线传输

采集数据后，必需通过BLE传输它们。传输可以通过一条BLE连接或BLE广播完成，但支持能量采集的Beacon只能采用BLE广播，这是因为使用一条连接传输数据之前，需要消耗大量能量建立该连接。

通常而言，无线操作，无论是发送(Tx)还是接受(Rx)，是无线设备中耗能最多的操作。我们应确保BLE操作是一个独立的过程，只有在EH输出能够提供足够的峰值电流时才与其它过程结合在一起。

赛普拉斯的基于电源管理IC(PMIC)的能量采集器为传感器和网络提供一种无电池技术。它们精准的输出功率控制功能和高效的能量采集功能使它们成为小型无线和Beacon应用的理想选择。它们既可以独立用作电源，或与锂电池等其它电池设备配合使用，用于延长设备的工作寿命。一个EH PMIC可以从一个低电压开始，适应应用的需求。MB39C831等某些产品具备最大功率点跟踪(MPPT) 功能。MPPT可让内置的DC/DC转换器通过跟踪输入功率控制输出充电功率，从而最大程度提高功率输出。MB39C811等PMIC支持双采集输入，可以从两个不同的源采集能量。S6AE101A等优化型PMIC(太阳能或光能EHD优化型)具备极低的启动和静态功耗，可以使用一个很小的太阳能电池。

无电池式无线Beacon的另一个考虑因素是MCU的选择。被集成为SoC等可编程系统、同时支持各种低功耗模式的MCU是此类应用的理想选择。赛普拉斯的可编程片上系统(PSoC)可与那些可用于对接传感器的各类外设紧密集成。尤其是PSoC 4 BLE，它包含多个低功耗外设以及一个BLE射频单元和BLE协议栈，从而提供了一个真正的单芯片BLE传感器节点。此外，其对超低功耗模式的支持还能让系统与能量采集器、纽扣电池等小型电源无缝配合。实践证明，这些能量采集器外加PSoC是无电池型BLE传感器节点应用的最佳设计。

有关PSoC 4 BLE的更多信息，请参阅应用笔记AN91267 ，您还可以参阅应用笔记AN92584，详细了解如何进一步优化BLE系统的功耗。请点击此处，详细了解赛普拉斯的PMIC解决方案以及它们的最新特性。