在藍牙傳播中，低功耗藍牙已可保護大量的連接設備插座(Socket)。而在無線設計中選擇低功耗藍牙的最關鍵原因之一，是其無處不在，且大多數IoT終端節點都由電池供電，因此較長的電池壽命就顯得極為珍貴。
儘管聽起來方向似乎很明確，但是選擇低功耗藍牙裝置首先要評估其設備文檔。例如，考量無線SoC的接收或發送模式中的運作電流。許多低功耗藍牙SoC文檔顯示的的電流消耗為數毫安培。如芯科科技(Silicon Labs)的EFR32BG22 SoC在0dBm時的無線電接收電流為2.6mA，發射電流為3.5mA，而這些數字僅與SoC RF收發器有關。在SoC等級，這些電流則稍高一些，分別為3.6mA和4.1mA。一個常見的錯誤是僅依靠SoC電流消耗的射頻數位(Radio Number)來判斷。設備文檔的首頁通常必須透過對資料手冊的全面分析來驗證。
另一個範例是以每兆赫微安培為報告單位的CPU功耗。在密集運算應用的情況下，此數位資料可能成為決定性的選擇標準，且通常是CPU在最高頻率時的最佳情況下才可取得。換句話說，當SoC CPU的工作頻率與製造商產品資料手冊中指定的頻率不同時，可證明資料表中顯示的數值可能非常不準確。
第三個例子是深度睡眠電流，這對於電池供電的終端產品相當重要。該數字通常在數百奈安培至幾微安培之間。而更重要的是須確保深度睡眠電流的數字與保留的RAM大小維持相關，並且包含即時時脈(RTC)電流的消耗。RTC與精準的睡眠時脈源結合在一起，是為了維持低功耗藍牙正常工作所需的時序。在上述SoC的案例下，資料手冊的首頁提到了EM2模式下的深度睡眠電流為1.40μA，保留了32KB RAM，以及RTC從低頻晶體振盪器(LXCO)開始運作下，有關EM2模式的情況。資料手冊的電流消耗部分則提供了更多資訊。因此，資料手冊中的功率數位缺乏標準化可能會造成錯誤的比較，最終導致選擇錯誤的元件。
依應用需求彈性選擇SoC
評估低功耗藍牙SoC時考慮應用需求很重要。大多數供應商都試圖以負責任的態度來展示他們的數據，但是設備在多種不同應用場景中提供的數據不可能適合所有案例，說明了終端應用知識的高度重要性。
選擇低功耗藍牙SoC時，工作電流和睡眠電流是關鍵的指標。必須將這些電流數據帶入與應用環境緊密匹配的模型中，以產生對平均功耗的合理評估。此類模型通常包括開/關工作週期，並且能認知低工作週期會選擇具有最低深度睡眠電流的SoC，而高工作週期則會選擇具有最低工作電流的SoC。
另一個參數可能是終端產品的環境溫度。低功耗藍牙SoC在25℃時的洩露電流與85℃或更高溫時的洩漏電流明顯不同。高溫下的洩漏電流可能是工業應用中的關鍵選擇標準，例如子計量表(Sub-metering)，因為其需要在高溫下確保電池壽命。
在電池供電的終端產品中，該應用的另一個重要元素涉及所用電池技術的類型。電池供電給最新整合的低功耗藍牙SoC上DC-DC轉換器。使用DC-DC轉換器將顯著降低整個SoC的工作電流消耗。一些複雜的SoC可能整合獨立的DC-DC轉換器用於射頻和CPU。這種做法提供一種優化的解決方案，但此趨勢明顯只能有一個轉換器可極小化SoC的成本。
最後，需要瞭解如何使用晶片內外(On-chip/Off-chip)記憶體。低功耗藍牙終端節點的常見要求是執行軟體的空中下載(OTA)更新。根據傳輸影像的大小，外接快閃記憶體可能成本更低。但事實證明，其增加的功耗和潛在的安全問題可能比使用晶片內建快閃記憶體要高得多。OTA更新的詳細分析將有助於確定最合適的記憶體物料清單。
近年來，低功耗藍牙SoC大幅降低總工作電流消耗，同時保持了更低的深度睡眠電流。原因是矽技術從較大的幾何尺寸(0.18μm，90nm和65nm)轉移到了更優化的技術節點(55nm和40nm)。40nm製程與晶片內建DC-DC轉換器整合的結合，減少了SoC的總體電流消耗(圖1)。
例如，當禁用晶片內建DC-DC轉換器而從晶片內建快閃記憶體運行Coremark時，Arm Cortex-M33 CPU要求54μA/MHz的功耗。當啟動相同的DC-DC轉換器時，相同的操作僅需要37μA/MHz的功耗。
在深度睡眠模式下，保留RAM至關重要，因為它是大部分功耗預算的來源，且當低功耗藍牙SoC必須返回到工作模式時，保留RAM可以加快啟動速度。從設計角度來看，低洩漏SRAM的使用能讓矽設計人員將深度睡眠電流保持在1μA的範圍內。選擇低功耗藍牙SoC的另一個關鍵考慮因素是每個SRAM的大小可能有所不同。選擇保留RAM大小的能力將有助於大幅減少深度睡眠模式下的功耗。如前述SoC在32KB的晶片內建RAM產品中即整合了可獨立選擇的SRAM。
最後，時脈門控和電源門控技術的結合使低功耗藍牙SoC可以根據其工作模式完全關閉設備的某些部分功能。這些功能的啟動是自動的，應用開發人員幾乎無法看到詳細的資訊。
軟體套件整合硬體設計
大幅減少低功耗藍牙應用的功耗，需要對無線電作業進行高度優化的調度，並在保持協定所需的精準時序中，大幅減少最低能耗模式下花費的時間。為了精確控制發射功率，低功耗藍牙堆疊整合DC-DC轉換器的配置。堆疊來自軟體發展套件(SDK)，與整合式開發環境(IDE)結合。IDE包括一個網路分析儀，可直接從SoC無線電獲取資料。同時能量監控器將功耗與代碼位置相關聯，包含視覺化的GATT配置器，以實現標準藍牙SIG設定檔或自訂服務。這些工具允許開發與硬體設計完全整合的低功耗藍牙應用程式，使開發人員可以專注於選擇影響功耗的高階設計。此外，SDK整合了安全的引導載入程式，可支援OTA和序列介面以進行韌體更新。
先進硬體和強大軟體的結合，使得應用開發人員可以在多個裝置上執行自己的基準測試。這是在選擇低功耗藍牙SoC之前所推薦應採取的方法。雖然最初耗時較多，但這種方法已證明是非常有價值的，可協助發現因硬體功能短缺或軟體功能不佳所導致的潛藏挑戰。
標準化基準測試策略的開發還可以幫助開發人員對各個供應商的設備進行比較。嵌入式微處理器基準聯盟(EEMBC)開發的IoTMark-BLE基準設定檔，提供了評估功耗的有用工具，其建構了真實的IoT邊緣節點模型，由I2C感測器和經由睡眠、廣告和連接模式作業的低功耗藍牙射頻所組成。儘管IoTMark-BLE基準可能並不適合所有案例，但它可以成為各種適合的應用情境方案的開發基礎。
簡而言之，如果同時比較供應商的產品資料手冊，可能會導致代價高昂的誤解和錯誤陳述。在比較SoC中的板載和外部DC-DC轉換器模組時，低功耗藍牙SoC必須在系統層級上進行分析說明。透過協力廠商基準的比對，通常可以協助確認比較分析的真實樣貌。
(本文作者任職於Silicon Labs)
