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增加持续 Wi-Fi 连接而不影响电池续航时间

来源: digikey
2020-10-21
类别:技术信息
eye 27
文章创建人 Stephen Evanczuk

原标题:增加持续 Wi-Fi 连接而不影响电池续航时间

在Wi-Fi和蓝牙双模物联网设备中,无线通信模块是功耗的主要来源。为延长电池续航,需从硬件选型、通信协议优化、电源管理、工作模式设计等多维度综合优化。以下是系统化的解决方案和关键策略:


一、硬件选型:低功耗是核心

1. 无线模块选择

  • Wi-Fi模块

    • ESP32-C3:支持Wi-Fi 4(802.11b/g/n)和BLE 5.0,休眠电流<5μA。

    • Nordic nRF7002:专为低功耗Wi-Fi 6设计,待机功耗比传统Wi-Fi降低80%。

    • 优先选择支持低功耗模式的模块,如:

  • 蓝牙模块

    • 选用支持BLE 5.0/5.2的模块,其广播间隔、连接参数可调,功耗较经典蓝牙降低90%。

    • 示例:TI CC2652R(BLE 5.2,休眠电流<1μA)。

2. 电源管理芯片(PMIC)

  • 功能

    • 动态电压调节(DVS):根据负载调整供电电压(如从3.3V降至1.8V)。

    • 负载开关:控制Wi-Fi/蓝牙模块的供电,避免待机漏电。

  • 推荐芯片

    • TI TPS62740:超低功耗DC-DC转换器,效率高达95%,静态电流仅280nA。

3. 天线与阻抗匹配

  • 优化天线效率

    • 使用PCB天线或陶瓷天线,减少信号反射损耗。

    • 确保阻抗匹配(50Ω),避免因反射导致模块额外功耗。


二、通信协议优化:减少活跃时间

1. Wi-Fi与蓝牙的分工策略

  • 短距离低速数据:优先使用蓝牙(如传感器数据)。

  • 高速或远程传输:仅在必要时唤醒Wi-Fi(如固件升级、大量数据上传)。

  • 示例

    • 蓝牙:每10秒唤醒一次,传输20字节数据后休眠。

    • Wi-Fi:每天凌晨2点唤醒,上传缓存数据后休眠。

2. Wi-Fi低功耗模式

  • PSM(Power Save Mode)

    • 模块在空闲时进入休眠,由接入点(AP)缓存数据,定时唤醒接收。

  • DTIM(Delivery Traffic Indication Message)

    • 调整DTIM间隔(如从100ms延长至1秒),减少监听次数。

3. 蓝牙低功耗优化

  • 增大连接间隔(Connection Interval)

    • 从默认7.5ms调整为100ms以上,降低通信频率。

  • 扩展广播(Extended Advertising)

    • 替代传统广播,支持更长的数据包和更低的占空比。


三、电源管理策略:降低静态功耗

1. 深度休眠(Deep Sleep)

  • 实现方式

    • 关闭Wi-Fi/蓝牙模块时钟,仅保留RTC(实时时钟)和RAM保留。

    • 示例:ESP32-C3深度休眠电流<5μA。

  • 唤醒机制

    • 使用RTC定时器或外部中断(如按键、传感器触发)唤醒。

2. 动态电压与频率调整(DVFS)

  • 原理

    • 根据任务负载动态调整MCU主频和供电电压。

  • 示例

    • 待机时:MCU主频降至1MHz,电压降至1.2V。

    • 传输时:主频提升至80MHz,电压升至3.3V。

3. 电池选型与保护

  • 电池类型

    • 锂亚硫酰氯(Li-SOCl₂):高能量密度,自放电率低(<1%/年),适合长期部署。

    • 锂离子聚合物(LiPo):可充电,但需注意过充/过放保护。

  • 电池保护电路

    • 集成过压、过流、欠压保护(如DW01芯片)。


四、实际案例与数据对比

案例1:智能环境监测节点

  • 优化前

    • Wi-Fi持续扫描,蓝牙持续广播,续航仅7天。

  • 优化后

    • Wi-Fi每天唤醒1次(上传数据),蓝牙广播间隔设为10秒,续航延长至180天。

案例2:可穿戴设备(Wi-Fi+BLE)

  • 优化前

    • 每分钟同步一次数据,Wi-Fi模块功耗占比60%,续航3天。

  • 优化后

    • BLE每5分钟同步一次,Wi-Fi仅在充电时启用,续航延长至30天。

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五、关键参数对比表


优化方向优化前优化后续航提升
Wi-Fi工作模式持续连接定时唤醒+PSM模式10倍
蓝牙广播间隔100ms10秒100倍
模块休眠电流10mA<5μA(ESP32-C3)2000倍
电池容量500mAh(不可充电)2000mAh(锂亚硫酰氯)4倍



六、推荐方案与总结

1. 推荐硬件组合

  • MCU:ESP32-C3(Wi-Fi 4 + BLE 5.0,休眠电流<5μA)。

  • 电源管理:TI TPS62740(超低功耗DC-DC)+ 锂亚硫酰氯电池。

  • 天线:PCB天线+阻抗匹配网络。

2. 软件优化核心

  • Wi-Fi:仅在必要时唤醒,使用PSM模式,延长DTIM间隔。

  • 蓝牙:增大连接间隔,使用扩展广播,减少广播频率。

  • MCU:动态调整主频和电压,深度休眠为主。

3. 终极目标

  • 功耗分配

    • 通信功耗占比从70%降至<10%。

    • 休眠功耗占比从10%提升至>80%。

  • 续航提升

    • 从数天延长至数月甚至数年(如结合能量收集技术)。


七、扩展优化:能量收集技术

  • 太阳能:在户外场景,使用微型太阳能板(如SPV1040芯片)为电池补充电量。

  • 振动/热能:利用环境能量为电池充电(如LTC3588-1压电能量收集芯片)。

通过硬件选型、协议优化和电源管理的综合策略,Wi-Fi/蓝牙双模物联网设备的电池续航可提升10-50倍,满足低功耗场景的长期部署需求。


责任编辑:David

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标签: Wi-Fi DA16200 物联网

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