NB-IoT 终端设备低功耗--硬件设计

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jiekechoo 发表于 2018/12/24 10:58:11 2018/12/24
【摘要】 NB-IoT 设备低功耗(硬件设计)一直是开发者和用户非常关心的问题,也许会问:这个设备多大电池容量?这么大容量电池能用多久?一次性电池还是充电电池?待机功耗多少微安(uA)?数据发送功率多少?平均电流多少毫安(mA)?低功耗计算公式怎么算出来设备可以用(3-5)年?采用什么样的低功耗单片机和元件?如何测定当前的功耗?等等,还有很多很多关于低功耗的疑问,下面一一解答。一、单片机(MCU)选择...

NB-IoT 设备低功耗(硬件设计)一直是开发者和用户非常关心的问题,也许会问:

  1. 这个设备多大电池容量?

  2. 这么大容量电池能用多久?

  3. 一次性电池还是充电电池?

  4. 待机功耗多少微安(uA)?

  5. 数据发送功率多少?平均电流多少毫安(mA)?

  6. 低功耗计算公式怎么算出来设备可以用(3-5)年?

  7. 采用什么样的低功耗单片机和元件?

  8. 如何测定当前的功耗?

等等,还有很多很多关于低功耗的疑问,下面一一解答。


一、单片机(MCU)

  • 选择具备多种低功耗工作模式的MCU,如:run,stop,standby等等;

  • 开启带有RTC的STOP模式,由RTC定时唤醒MCU;

  • 支持宽范围供电,如:1.8v-3.3v,运行在1.8v电压模式下比3.3v电压模式下更加省电;

  • 不需要大量计算模式时,尽量降低MCU工作主频到最低;

  • 硬件设计时,低电压工作模式和高电压模式可以通过物理开关进行切换;

  • 不使用IO尽量配置模拟输入,模拟输入模式下,不会产生漏电;

  • 耗电比较大的元件和传感器,尽量独立IC供电,减少使用MCU负载;


二、电源芯片(IC)

  • 开关电源

    选择具备开关信号控制的开关型电源IC,有助于在调试和使用阶段的电源控制,通过单片机IO口控制电源开关,灵活一些;

  • 低压差相信稳压器(LDO)

    选择LDO的好处是IC本身耗电比较少,尽量选择待机功耗(没有负载时)在几uA(比如:5uA)级别,工作电流尽量小,比如几十uA;

  • 低内阻

    电源IC尽量选择低内阻型,这样没有负载时,IC本身不会有漏电;

  • 待机低功耗

    其实,长时间运行的NB-IoT设备待机功耗非常重要,而电源IC是一直处于工作模式,所以,务必选择电源IC要慎重。


三、NB模组

  • 需要独立供电,使用开关型电源(LDO型)作为单独电源整形输入,至少保持500mA以上的电流负载;

  • 如果有需要使用信号发送LED灯,建议由MCU驱动LED,减少NB模组负载;


四、电路设计

  • 弃用MCU驱动IO口,改用有LDO输出的VDD上拉电阻,可以有效减少MCU的功耗;

  • 如果需要设计USB电源输入,建议使用Micro USB接口;

  • 具备锂电池充电电路,带保护模式;

  • 充电电流根据电池容量大小来决定,比如1000mA电池,建议采用250-350mA充电电流,3-4小时充满,不至于电池太热,也可以有效保护电池寿命;

  • 电池电量检测,采用电阻分压时建议使用1M欧姆左右;或采用专用IC检测电量;

  • 带中断触发的传感器


五:QA

  1. 如何测定当前电流?

    答:在电池负极串入一个支持uA级电流检测的万用表,观察电流变化;或使用稳压电源设备作为NB设备的电源输入(稳压电源需要支持至少5位数显以上),可以观察不同输入电压下NB设备对功耗的影响。

  2. 长时间运行低功耗设备,电池寿命计算公式是什么?如何测算电池能够使用多少时间?

    答:假设电池容量1000mA,10分钟发送一次,每次5秒60mA瞬时电流,待机50uA电流,经过测算,大概过程如下:


    60mA * 5 = 300mA 0.05mA * 595 = 29.75mA , 300 + 29.75 = 329.75mA,发送一次;

    329.75 * 6 次(一小时6次) / 3600 = 0.54958 mA * 24小时= 13.19mA 每天耗电;

    1000 / 13.19 = 75.82 天

    经过我们实际测试,由于电池自放电关系,信号轻度关系,温湿度关系等等环境因素,1000mA电池在可以工作40天左右。


  3. 有没有推荐的低功耗单片机和电源IC?

    答:低功耗单片机可以使用ST公司L系列,低端设备推荐用STM8,STM32L0或STM32L1,高端一些的设备推荐使用STM32L4系列单片机;电源IC推荐使用TOREX 公司的XC系列,XC6503支持最大500mA电流,XC6220支持最大1000mA电流。

  4. 使用一次性电池还是充电电池?

    答:水表气表推荐使用一次性锂亚电池,电池容量大,且放电稳定,支持3-5年长时间放电;功率较大,传输频繁的NB设备建议使用聚合物充电电池,电池稳定,放电电流大。常见的18650电池容量尽量选择2000mA以下,这样稳定一些。


欢迎读者提出更多的关于低功耗硬件设计的问题,也欢迎大虾批评指正,共同探讨低功耗设计。


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