使用专用IC和插入式模块满足设计中的BLE峰值功率需求

低功耗蓝牙（BLE），也称为蓝牙智能，可为可穿戴设备，物联网应用和其他智能设备提供高效的连接和互操作性。对于设计人员而言，这些设计中有限的功耗预算继续挑战他们满足消费者对连接和延长操作时间的需求。通过了解BLE峰值功率需求，工程师可以使用来自Dialog Semiconductor，Laird Embedded Wireless Solutions，Murata Electronics，Panasonic和Texas Instruments等制造商的可用IC和模块来满足严格的功率预算和高效连接要求。

可穿戴设备和物联网设备的快速接受使人们对利用低功耗设计方法（包括能量收集）的能力产生了浓厚的兴趣，以延长电池的使用寿命，甚至完全消除它们。消费者对简单无线连接的需求继续挑战设计人员平衡可用电源与应用所需功率的能力，特别是无线通信。

在无线通信中，功耗是一系列复杂因素的函数。在考虑设计的功率预算时，工程师不仅必须在接收，发送和静止状态中包含更熟悉的设备电流要求，还要考虑与通信协议本身相关的功率要求。能够快速初始化，快速传输短脉冲数据并快速返回睡眠状态的简单协议通常会导致总体功耗要求低于可能提供更复杂功能但需要更多时间和功率的协议所以。

对于某些应用，在指定的功率预算内实现传输范围和数据速率的特定目标的需要可以规定使用自定义通信协议。在这里，协议设计人员可以减少开销 - 例如，交易降低了灵活性，适用于更长的范围，更高的吞吐量和更低的功耗。然而，对于新兴的可穿戴和物联网应用类别，基于标准的通信是充满已安装产品基础的市场的基本要求，包括智能手机，平板电脑和其他移动设备。为了与这些产品进行通信，蓝牙已成为常见的连接选项，BLE已迅速成为将可穿戴设备和其他个人电子设备连接到这些主机的首选方案。

小型有效载荷

BLE经过优化，可以尽可能快速，高效地提供小型有效载荷，旨在消耗最少的功率，并以最低的延迟与最大范围的主机设备进行通信。实际上，BLE能够实现260 kbps的数据速率，但代价是增加的功率要求可能会使许多可穿戴设备或物联网应用超出其功率预算。需要更高数据速率的应用最好通过蓝牙BR/EDR等其他连接选项提供服务。

可穿戴设备，物联网设备和大多数传感器应用程序将大部分时间用于睡眠或静止操作状态，由外部事件唤醒或由定时器定期处理数据。因此，静态功耗至关重要。同时，快速唤醒的能力对于最大化电力利用效率是重要的。功率受限的设计可能无法承受冗长的初始化阶段或延长的握手协议所耗费的功率来建立连接会话。

事实上，BLE低功耗定义的一个重要策略是尽可能地关闭无线电。当需要通信时，BLE使用简单的通信方法来减少无线电操作时间。实际上，BLE设备仅需要3毫秒即可建立连接，完成通信事务并返回静止状态。相比之下，蓝牙可能需要长达100毫秒才能完成链路级连接。

了解BLE峰值功率

对于任何低功耗设计，无线通信可以决定峰值功率要求，而能量采集设计可以满足能量转换，电源管理和能源储备。在操作期间，通信事务的不同阶段需要不同但很大程度上可预测的处理时间和连接事件的功率。例如，使用德州仪器CC2541的典型设计将演示与唤醒，RX，TX和处理相关的不同峰值功率相位（图1）。

图1：在单个连接序列期间，诸如德州仪器CC2541的BLE设备在接收和发送数据包时表现出多个峰值电流需求。 （由Texas Instruments提供）

对于图1所示的示例，唤醒阶段消耗约6.0 mA并且需要大约400μsec。 （图中所示的初始尖峰是由于CC2541内部稳压器中的电容器充电时突然耗电 - 因为它被唤醒 - 通常通过外部电容器消除了电源尖峰。）唤醒后，器件经历了用于处理的短功率平台（7.4 mA，340μsec），然后是通信初始化阶段，设备准备其RX和TX电路。此阶段在完整RX阶段（17.5 mA，190μsec）之前产生短暂的峰值（11.0 mA，80μsec），其中设备侦听来自主设备的数据包。在RX之后，器件短暂返回到基本功率平台（7.4 mA，105μsec），然后在器件向主器件发送数据包时再次返回其TX峰值功率电平（17.5 mA，115μsec）。在TX之后，设备返回其基本功率平台以处理持续一段时间的处理，该持续时间在很大程度上取决于应用，特别是数据有效载荷。在这种情况下，处理阶段持续1280微秒并消耗7.4mA。最后，器件在实际返回睡眠状态之前执行到睡眠的转换（4.1 mA，160μsec）。

BLE功率配置文件的具体细节当然取决于具体应用和BLE设备本身。实际上，从应用程序到应用程序，从设备到设备，甚至从事件到事件，每个连接事件的总处理时间并不总是完全相同。但是，接收和发送数据所需的时间和功率通常会保持非常稳定。然而，通过了解这种特性的BLE功率曲线，工程师可以更好地优化功率受限设计中的功率预算，尤其是能量采集设计。此外，通过预测峰值需求，设计人员可以确定能量存储设备的需求和所需容量，例如在环境供电设计中提供备用电源所需的超级电容器或可充电电池。

降低功耗

工程师可以找到比图1中建议的更低功率要求的BLE解决方案。例如，德州仪器CC2640仅在5.9 mA时实现RX，在6.1 mA时实现TX（0 dBm） ）。作为TI SimpleLink无线系列的成员，CC2640将ARM Cortex-M3 32位内核主处理器与专用于无线操作的ARM Cortex-M0相结合。除了丰富的数字外设外，该器件还包括TI的传感器控制器，包括ADC，比较器和其他模拟外设 - 所有这些都能够自主收集模拟和数字数据，同时系统的其余部分处于睡眠模式（图2）。其他SimpleLink设备（例如TI CC2650）将BLE与其他连接选项（如ZigBee，6LoWPAN等）相结合。

图2：对于其CC2640 BLE器件，德州仪器（TI）将多个ARM内核与一系列广泛的数字和模拟外设相结合，以实现自主数据采集。可穿戴设备和物联网应用。 （德州仪器公司提供）

Dialog Semiconductor DA14580结合了ARM Cortex-M0内核，BLE内核和数字外设（图3），实现了RX和TX的功耗仅为4.9 mA（0 DBM）。该器件在睡眠模式下仅需600 nA，并且能够在低至0.9 V的电源电压下工作.DA14580的集成无线电收发器实现了BLE协议的RF部分，并与蓝牙4.0 PHY层一起提供93 dB RF无线通信的链接预算。

图3：Dialog Semiconductor DA14580的工作电压低至0.9 V，睡眠模式下仅需600 nA。 （由Dialog Semiconductor提供）

除了TI CC2640和Dialog DA14580等专用BLE器件外，设计人员还可以找到结合了滤波器，晶体，天线和其他分立元件的BLE模块，以提供完整的BLE连接解决方案。例如，Laird 450-0119 SaBLE-x BLE模块构建了围绕TI CC2640 IC的插入式解决方案，而Murata Electronics LBCA2HNZYZ模块和Panasonic PAN1740模块将Dialog DA14580与提供插入所需的其他组件相结合。 BLE解决方案。

结论

对于可穿戴设备和物联网设备设计，蓝牙低功耗提供了一种极具吸引力的无线通信选项，将无处不在的连接与能量收集和电池所需的低功耗性能相结合 - 动力设计。通过了解BLE通信的详细功率要求，工程师可以解决功率受限设计中的峰值功率需求。利用可用的专用IC和完整的插入式模块解决方案，工程师可以快速将BLE无线通信添加到低功耗应用中。