浅析降低无线系统功耗的11个因素

备受青睐的物联网（IoT）包含大量连接到互联网的低功率无线设备。这些设备需要精心设计，以延长其电池寿命，减少对环境的影响，并最大限度地提高制造商利润。

要降低无线系统的功耗，我们需要考虑如下11个因素：

第一：系统选择

使用的无线类型取决于几个因素，其中主要是数据速率、通信范围和运营成本。选择范围非常广泛，从短距离ZigBee、线程、蓝牙和Wi-Fi，到远程低功率无线（如LoRa和SigFox）或蜂窝解决方案。

第二：波长

一些无线波长比其它波长传播得更好，而且传播可能与提高的功率效率相关。通常，低频率无线电波比高频率传播得更好，但缺点是数据速率可能较低。例如，2.4/5GHz频段的传输距离为几十米，但每秒可传输数百kb的数据。而低于GHz频段的传输距离可以达到几百米甚至几千米，但传输速度可能只有每秒几个kb。无线网状网络通过在节点之间转换数据来扩展传输距离。

第三：微控制器的待机功耗

很多微控制器都声称自己是低功耗的。但是，一些仅在待机状态下低功耗，另一些则在运行时也保持低功耗。设备待机的频次决定了哪一个才是关键参数。如果设备通常都处于待机状态，就要考虑深度睡眠的功耗。如果设备总是处于唤醒状态，例如收听网络，那么关键参数就变成了工作功耗。

第四：电源

电源是电池供电设备的关键考虑因素。一旦你为产品选定了合适的供电方式，比如是用户可更换的电池（AA，AAA等）还是可充电电池（如锂离子聚合物电池Li-Po），就可以进行相应的优化。环境温度（特别冷或特别热）对电池使用寿命有很大影响，就像电池放电曲线一样。低功率无线电设备在睡眠时一般功耗非常少，在唤醒时会使用大量电流进行接收和发射，某些类型的电池可能无法很好地处理这种情况。

第五：上拉及其它设计技巧

低功耗无线系统设计需要注意无线电路之外的一些细节，例如上拉电阻。这些需要进行优化才能最大限度地延长电池寿命。例如，可通过添加有源器件（如FET）来打开和关闭器件和上拉电阻。

如果您决定在设计中使用FET，请用心选择。即使只消耗了几毫安，你也会发现额定功率为几安的高功率器件的Vf（正向电压）较低，这意味着FET导通时浪费的电能更少。

第六：电子表格

使用电子表格便于确定应该做出哪些折衷来获得可行的设计。

电子表格可用于查看传输或接收时序的平衡如何影响电池寿命，以及传输应持续多长时间，以便确定稳压器在电压范围和电流要求方面的效率。

第七：功率测量

标准万用表的采样率比较低，容易错过与传输相关的短RF突发。要进行功率测量，最好使用带数学函数的示波器，或高频万用表。作为替代方案，用瓦时计可测量长时间内的功率累加之和。

第八：天线调谐

如果传输范围很重要，请务必调整天线。这样可以在不增加系统功率预算的情况下最大化设备的能效。

第九：TX功率

不要在不必要的情况下提高输出功率。例如，如果你的无线传输距离只需10米，就不需要5dB的输出功率，否则只会浪费电能，并缩短电池使用寿命。

第十：批量测试

使用电池供电的低功耗设备，可以在接近器件性能极限的情况下工作。例如，对于FET和其它依赖于低压降的有源器件，设备之间总会出现可能影响性能的特征变化。这意味着使用批处理方式进行批量测试是值得的，以确保任何变化都不会影响最终系统的运行。

使用SPICE仿真器来模拟设计的一些简单部分，比如在极端温度和高压范围内进行测试，这样在大批量生产时就可以避免很多问题。

第十一：发射器脉冲

当发射器开启时，低功率无线电设备会处于最大功率状态。尽可能减少必须传输的数据量，使 “开启”时间最短，比如可以使用二进制或zip格式压缩较大的文件来减少数据量。

在开发智能家居产品、远程监控设备或许多其它物联网解决方案时，我们的嵌入式设计顾问在设计低功耗系统时始终会考虑以上11个注意事项。