对于许多小的、便携式物联网（IoT）应用，“圣杯”是无线联接使用的纽扣电池使用寿命达 10 年。

这并非易事，因为大多数便宜的纽扣电池提供的最大容量仅约 240 mAh。

通过选择睡眠电流消耗低的无线电系统单芯片（SoC），短距离和长距离无线联接都可以达到 10 年。

为了使容量较低的纽扣电池如 240 mAh 获得 10 年的电池使用寿命，无线设备通常在大部分时间处于睡眠状态，只是偶尔被唤醒以进行无线传输，如下图 1 所示。

例如，相对于 5 秒的传输间隔（每小时 120 个无线传输）而言，7 毫秒的唤醒时间产生的占空比为 0．14％唤醒时间和 99．86％休眠时间。

因此纽扣电池要实现 10 年电池使用寿命，低功耗的深度睡眠必不可少。

图 1．睡眠和唤醒时间占空比

为了达到 10 年的电池使用寿命，蓝牙低功耗是短距离到中距离无线联接的首选，取决于发射（Tx）和接收（Rx）功率，通常为 30 至 50 米。

对于任何超过 1000 米的更长距离，Sub Gigahertz 软件定义的无线电（SDR）是理想的选择。

蓝牙低功耗

蓝牙低功耗使用 40 通道分区（相隔 2 MHz）在 2．4 GHz ISM 频段运行。

三个 RF 通道（37、38 和 39）专用于广告功能，可发现附近可用的设备。通道 0－36 专用于数据。

广告通道（图 2）分配在频谱的不同部分，以提供抗 802．11 ／ Wi－Fi 干扰的能力。

图 2．蓝牙低功耗广告通道（来源 Accton Marketing）

广告包的数据单元称为协议数据单元（PDU），具有一个两字节的标头，用于指定数据有效载荷的类型和长度，最多 37 个字节（广告地址为 6 个字节，数据为 31 个字节）。

图 3．蓝牙低功耗广告包（来源 Accton Marketing）

可联接的对比不可联接的

蓝牙低功耗广告包可以是可联接的（Connectable）或不可联接的（Non－connectable）。

图 4 描绘了功率分析仪捕获的 RSL10 系统级封装（RSL10 SIP）蓝牙低功耗模块可联接（左）和不联连接（右）的“3 广告”事件，发送功率均为 0 dbm。

虽然两个事件都使用通道 37、38 和 39，并持续 7 毫秒，但 Connectable 事件包括每个通道的 RX 脉冲。

这是有道理的，因为 Connectable 事件也希望接收。所得的功率分析仪测量结果显示可联接的平均电流为 711．624uA，不可联接的为 504．307uA。

同时，对于蓝牙低功耗协议栈，RSL10 SIP 的深度睡眠电流为 160 nA（用于保留 16 kbB RAM），并运行一个内部计时器以自唤醒。

图 4．可联接的对比不可联接的广告包

RSL10 SIP 电池使用寿命（5 字节）

在上述条件下，

图 5 证实 RSL10 SIP 实际电池寿命将在 10．97 年（2．5 秒广告间隔，可联接的）到 27．26 年（5 秒广告间隔，不可联接的）之间。

这些计算基于使用 240 mA CR2032 纽扣电池和 5 字节数据传输（PDU）。

图 5． RSL10 SIP 实际电池使用寿命

理想的电池使用寿命对比实际的电池使用寿命

锂离子纽扣电池随附数据表，绘制给定负载的连续放电特性。

在图 6 中的 CR2032 电池示例中，该图捕获了恒定 190 uA 负载的放电曲线。

捕获的图 5 中 RSL10 SIP 平均电流范围为 865nA 至 1．57uA，比 190 uA 曲线轻得多。

当我计算“理想 VBAT”时，我用库仑计测量 240 mAh ，从 100％充满电量到 0％电量为空，由标有“理想 VBAT”的红色虚线表示。纽扣电池实际上永远不会表现出红色虚线。

知道“实际 VBAT”放电曲线位于红色虚线和蓝色 CR2032 190 uA 放电曲线之间的某个位置，因此我已将“理想 VBAT”降额 15％，以得出绿色的“实际 VBAT”放电曲线。

图 6．连续放电特性

如果将数据大小从 5 字节增加到 31 字节，则下面的图 7 展示了 RSL10 SIP 电池的使用寿命。

图 7． RSL10 SIP 电池使用寿命（31 字节）

专有 RF 协议

专有的 Sub－GHz 无线电旨在用于更长距离的无线传输。

凭借 153 db（16 dbm Tx 功率和－135 Rx 灵敏度）的链路预算，AXM0F24 窄带 SoC 可以传输 37 公里或 23 英里（915MHz，30db 衰减余量）的距离。

对于 1．1 公里的距离，AXM0F243 超过了所需的 10 年实际电池使用寿命。

图 8．AXM0F243 实际电池使用寿命

使用合适的无线电 SoC 用于短距离和长距离传输都完全有可能实现 10 年的电池使用寿命。