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低功耗丨看 LPWAN 界 “六邊形戰(zhàn)士” TurMass?如何煉成(六)

2023-12-27 16:43 道生物聯(lián)
關(guān)鍵詞:TurMass

導(dǎo)讀:TurMass? 是上海道生物聯(lián)技術(shù)有限公司自主研發(fā)的新一代窄帶物聯(lián)網(wǎng)/LPWAN(低功耗廣域網(wǎng))技術(shù),上期文章給大家介紹了 TurMass? “六邊形戰(zhàn)士”修煉技術(shù)之一的組網(wǎng)靈活能力,本期是六邊形系列的最后一篇文章啦,將和大家談?wù)?TurMass? 的低功耗優(yōu)勢(shì),以及是如何做到低功耗的

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TurMass? 是上海道生物聯(lián)技術(shù)有限公司自主研發(fā)的新一代窄帶物聯(lián)網(wǎng)/LPWAN(低功耗廣域網(wǎng))技術(shù),上期文章給大家介紹了 TurMass? “六邊形戰(zhàn)士”修煉技術(shù)之一的組網(wǎng)靈活能力,本期是六邊形系列的最后一篇文章啦,將和大家談?wù)?strong> TurMass?的低功耗優(yōu)勢(shì),以及是如何做到低功耗的。

LPWAN 終端芯片的低功耗設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,不僅限于芯片設(shè)計(jì)工藝、電源管理,而且與無線傳輸方式、協(xié)議設(shè)計(jì)、軟件調(diào)度等都緊密相關(guān)。

芯片的功耗主要由靜態(tài)功耗動(dòng)態(tài)功耗兩部分組成,靜態(tài)功耗是芯片處于休眠或待機(jī)階段的功耗,動(dòng)態(tài)功耗可以簡單理解成芯片運(yùn)行階段的功耗。如何降低芯片的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)功耗是低功耗的關(guān)鍵,也是芯片低功耗設(shè)計(jì)面臨的重要挑戰(zhàn)。

 

1. 低功耗工藝

芯片的靜態(tài)功耗,主要指漏電流功耗(Leakage Power),下圖是一個(gè)簡單 PMOS 漏電流示意圖,雖然每一個(gè) MOS 管的漏電流很小,但隨著芯片規(guī)模的成倍增長,導(dǎo)致整體漏電流變得越來越大,嚴(yán)重影響靜態(tài)功耗。


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TK8620 在設(shè)計(jì)之初,就將嚴(yán)格控制和降低靜態(tài)功耗作為重要設(shè)計(jì)目標(biāo)之一。TK8620 選用 ULP(Ultra Low Power,極低功耗)的標(biāo)準(zhǔn)工藝庫,從根本上降低每一個(gè) MOS 管的漏電流。

 

2. 靈活電源管理

TK8620 將芯片內(nèi)部根據(jù)功能要求的不同,劃分成多個(gè)不同的電源管理域,主要包括高功耗電源域、AO 電源域(Always-On 區(qū)域)、動(dòng)態(tài)電源域。

 

高功耗電源域主要包括射頻收發(fā)器和基帶處理部分,這部分區(qū)域的主要特點(diǎn)是功耗高、運(yùn)行時(shí)間短。

 

AO 電源域是 TK8620 休眠控制的核心部分,它的特點(diǎn)是不間斷運(yùn)行,是芯片休眠功耗的主要因素。動(dòng)態(tài)電壓域主要包括 TK8620 內(nèi)部的 MCU 和 Flash,這部分的特點(diǎn)是不同速率模式下對(duì)于處理能力的要求不盡相同。

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根據(jù)上述不同電源域的特點(diǎn),TK8620 采用不同的電源管理措施來降低功耗。

l 針對(duì)高功耗電源域,采用獨(dú)立的電源門控,可以快速關(guān)閉和啟動(dòng)該區(qū)域;

l 對(duì)于 AO 電源域,采用 0.9 V 低壓供電,進(jìn)一步降低休眠狀態(tài)下的功耗;

l 對(duì)于動(dòng)態(tài)電壓域支持電壓的動(dòng)態(tài)調(diào)整,可根據(jù)工作主頻的要求,在 0.9 ~ 1.2 V 之間調(diào)整供電電壓。

 

3. 高效調(diào)制和編碼方式

TK8620 采用差分相移頻移鍵控(Differential Phase Frequency Shift Keying,DPFSK)調(diào)制技術(shù),相比 LoRa 具有更加高效的調(diào)制效率和頻譜利用率。在信道編碼上,TK8620 采用咬尾方式,可有效減少冗余和不必要的信息,使得傳輸數(shù)據(jù)更為緊湊。結(jié)合自有的mMIMO技術(shù),可以使TK8620在相同靈敏度下,具有平均6倍于LoRa的傳輸速率,因此在傳輸相同數(shù)據(jù)和鏈路預(yù)算要求下,傳輸耗時(shí)只有LoRa的1/6,大幅降低無線收發(fā)時(shí)的功耗。

    


典型靈敏度

LoRa 傳輸速率

TurMass? 傳輸速率

1

-137 dBm

0.293 kbps

1.868 kbps

2

-131 dBm

1.757 kbps

7.472 kbps

3

-121 dBm

9.38 kbps

85 kbps

 

4. 無線喚醒

TK8620也同樣支持無線喚醒功能。它可以定期醒來,通過一個(gè)固定的4 ms左右的接收窗口,即可快速的檢測(cè)是否有特定的喚醒信號(hào)。如果沒有檢測(cè)到喚醒信號(hào),則迅速重新進(jìn)入休眠狀態(tài),等待下一次定時(shí)周期的到來;如果檢測(cè)到喚醒信號(hào),則會(huì)判斷喚醒攜帶的喚醒信息,是否與自身喚醒ID相符,如果相符則會(huì)啟動(dòng)接收功能,等待后續(xù)數(shù)據(jù)包的接收。通過喚醒信號(hào)攜帶的信息,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)終端的廣播、組播和單播的不同喚醒方式。這種特有的無線喚醒方式,避免了廣播式喚醒對(duì)于所有終端功耗的無謂消耗,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)終端休眠功耗的進(jìn)一步降低。



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5. 快速啟動(dòng)

LPWAN 的終端設(shè)備,因?yàn)殡姵毓╇姾偷凸牡囊?,通常?huì)較頻繁在工作狀態(tài)與休眠狀態(tài)之間切換,由于頻繁啟動(dòng)所消耗的這部分功耗,經(jīng)常容易被忽視。

以周期檢測(cè)無線喚醒這個(gè)功能為例,常規(guī)芯片從電源上電、時(shí)鐘 PLL 鎖定、MCU 加載指令到完成收發(fā)器初始化,所需時(shí)間會(huì)達(dá)到數(shù)毫秒。而 TK8620 用于檢測(cè)無線喚醒信號(hào)的開窗和檢測(cè)時(shí)間僅為 4 ms 左右。


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TK8620 芯片內(nèi)部針對(duì)性地設(shè)計(jì)了電源和時(shí)鐘的快速啟動(dòng)模式,并且支持從 flash 直接啟動(dòng)運(yùn)行,大幅降低了芯片的啟動(dòng)時(shí)間,縮減到數(shù)百 us,這部分功耗下降 90% 以上。 

6. 簡化協(xié)議調(diào)度

為降低用戶之間因?yàn)椴l(fā)而造成的沖突,通常的做法是采用 LBT(Listen before Talk)偵聽機(jī)制和回退避讓機(jī)制,雖然 LBT 協(xié)議可以降低碰撞的發(fā)生,但在實(shí)施過程中會(huì)引入一些協(xié)議開銷,例如偵聽開銷、延時(shí)開銷、重傳開銷等,會(huì)產(chǎn)生額外功耗。

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采用大規(guī)模多天線免許可隨機(jī)接入(mGFRA)技術(shù)的 TurMass? 系統(tǒng),具有高并發(fā)能力。TurMass? 系統(tǒng)下的終端芯片,可以大幅簡化發(fā)送數(shù)據(jù)前的協(xié)議開銷。TurMass? 終端開機(jī)并完成與多天線網(wǎng)關(guān)之間的同步后,可以立即發(fā)送數(shù)據(jù)。

綜上所述,降低 TurMass? 無線終端芯片的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)功耗是一項(xiàng)復(fù)雜而重要的挑戰(zhàn)。除了在芯片設(shè)計(jì)工藝和電源管理方面下足功夫外,還需要充分考慮高效的調(diào)制技術(shù)和編碼方式、協(xié)議設(shè)計(jì)和軟件等因素。只有綜合考慮這些因素并進(jìn)行有效優(yōu)化,才能實(shí)現(xiàn)真正意義上的低功耗設(shè)計(jì)。 

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用場(chǎng)景的增多,LPWAN 終端芯片低功耗設(shè)計(jì)的需求將變得更加迫切。因此,在不斷探索創(chuàng)新解決方案的同時(shí),各領(lǐng)域?qū)<覒?yīng)加強(qiáng)合作與交流,共同推動(dòng) LPWAN 終端芯片低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。只有如此,才能滿足日益增長的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)需求,并為智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域提供可靠、高效、節(jié)能的低功耗物聯(lián)網(wǎng)解決方案。