Für viele kleine, tragbare IoT-Anwendungen (Internet of Things/Internet der Dinge) ist die drahtlose Konnektivität mit einer Batterielaufzeit von bis zu zehn Jahren unter Verwendung einer Knopfzelle wie der „Heilige Gral“. Das ist keine einfache Herausforderung, denn die meisten kostengünstigen Knopfzellen bieten eine maximale Kapazität von nur etwa 240 mAh. Aber bei Verwendung eines Funk-SoC mit niedrigem Ruhestromverbrauch sind zehn Jahre sowohl für drahtlose Kurz- als auch Langstreckenverbindungen sehr gut erreichbar.

Will man eine Batterielaufzeit von zehn Jahren bei geringer Kapazität der Knopfzelle wie etwa 240 mAh erreichen, müssen sich drahtlose Geräte in der Regel die meiste Zeit im Ruhemodus befinden und nur aufwachen, um eine drahtlose Übertragung durchzuführen, wie in Abbildung 1 unten dargestellt. Eine Einschaltdauer von 7 ms Aufwachzeit, bezogen auf ein Sendeintervall von 5 Sekunden (120 drahtlose Übertragungen pro Stunde), ergibt beispielsweise ein Verhältnis von 0,14 % Einschaltdauer und 99,86 % Ruhezeit. Daher ist ein niedriger Stromverbrauch im Ruhemodus unerlässlich, um mit einer Knopfzelle eine Batterielaufzeit von zehn Jahren zu erreichen.

Abbildung 1: Verhältnis von Einschalt- und Ruhezeiten

Um eine Batterielaufzeit von zehn Jahren zu erreichen, ist Bluetooth Low Energy (BLE) die optimale Wahl für drahtlose Verbindungen über kurze bis mittlere Entfernungen, in der Regel 30 bis 50 Meter, je nach Sende- (Tx) und Empfangsleistung (Rx). Für größere Entfernungen von über 1000 Metern eignen sich  softwarebasierte Funkgeräte (SDR) im Sub-Gigahertz-Bereich ideal.

Advertising

BLE nutzt das 2,4-GHz-ISM-Band und verwendet dabei eine 40-kanalige Aufteilung mit einem Abstand von 2 MHz. Drei HF-Kanäle (37, 38 und 39) sind für so genannte Advertising-Funktionen vorgesehen, mit denen in der Nähe verfügbare Geräte erkannt werden können. Die Kanäle 0-36 sind für Daten reserviert. Die Advertising-Kanäle (Abbildung 2) sind auf verschiedene Teile des Frequenzspektrums verteilt, um Unempfindlichkeit gegen Störungen durch 802.11/WLAN zu gewährleisten.

Abbildung 2: BLE Advertising-Kanäle (Quelle: Accton Marketing)

Advertising-Pakete

Die Dateneinheit eines Advertising-Pakets wird als Protocol Data Unit (PDU) bezeichnet und hat einen Zwei-Byte-Header, der die Art und Länge der Datennutzlast von bis zu 37 Bytes angibt (6 Bytes für die Advertising-Adresse und bis zu 31 Bytes für Daten). 

Abbildung 3: BLE Advertising-Paket (Quelle: Accton Marketing)

Verbindungsorientiert vs. nicht verbindungsorientiert

BLE Advertising-Pakete können entweder verbindungsorientiert oder nicht verbindungsorientiert sein. Abbildung 4 zeigt das BLE-Modul als RSL10-Systempaket (RSL10 SIP), das von einem Leistungsanalysator für die „3 Advertising-Ereignisse“ als verbindungsorientiert (links) bzw. nicht verbindungsorientiert (rechts) jeweils bei 0 dbm Sendeleistung erfasst wird. Beide Ereignisse nutzen die Kanäle 37, 38 und 39 und dauern 7 ms, wobei das verbindungsorientierte Ereignis einen RX-Impuls für jeden Kanal beinhaltet. Das ist sinnvoll, da das verbindungsorientierte Ereignis auch empfangen will. Die Messung des Leistungsanalysators zeigt den jeweiligen durchschnittlichen Strom an: 711,624 µA für verbindungsorientiert und 504,307 µA für nicht verbindungsorientiert. Der Stromverbrauch des RSL10 SIP beträgt im Ruhemodus 160 nA für einen 16-kbB-RAM-Speicher für den BLE-Stack und einen internen Timer zum eigenständigen Aufwachen.

Abbildung 4: Verbindungsorientierte vs. nicht verbindungsorientierte Advertising-Pakete

RSL10 SIP-Batterielaufzeit (5 Bytes)

Bei den oben beschriebenen Bedingungen zeigt Abbildung 5, dass die tatsächliche Batterielaufzeit zwischen 10,97 Jahren (2,5 Sekunden Advertising-Intervall, verbindungsorientiert) und 27,26 Jahren (5 Sekunden Advertising-Intervall, nicht verbindungsorientiert) liegen wird. Diese Berechnungen beziehen sich auf die Verwendung einer 240-mA-Knopfzelle CR2032 und 5-Byte-Datenübertragung (PDU).

Abbildung 5: Tatsächliche Batterielaufzeit

Ideale Batterielaufzeit vs. tatsächliche Batterielaufzeit

Li-Ionen-Knopfzellen werden mit Datenblättern geliefert, auf denen die kontinuierliche Entladungscharakteristik für eine gegebene Belastung dargestellt ist. Im Beispiel der CR2032-Batterie in Abbildung 6 zeigt das Diagramm die Entladungskurve für eine konstante Last von 19 0 µA. Der in Abbildung 5 dargestellte durchschnittliche Strom des RSL10 reicht von 865 nA bis 1,57 µA und ist damit viel niedriger als die 190-µA-Kurve.

Bei der Berechnung der „idealen VBAT“ zählt man nach Coulomb 240 mAh von 100 % voll bis 0 % leer, dargestellt durch die rot gestrichelte Linie mit der Bezeichnung „ideale VBAT". Eine Knopfzelle wird sich niemals tatsächlich wie die rot gestrichelte Linie verhalten. Da bekannt ist, dass die „tatsächliche VBAT"-Entladungskurve irgendwo zwischen der rot gestrichelten Linie und der blauen 190-µA-Entladungskurve der CR2032-Knopfzelle liegt, wurde die „ideale VBAT“ in der Abbildung um 15 % herabgesetzt, um die grüne „tatsächliche VBAT“-Entladungskurve zu erhalten.

Abbildung 6: Dauerentladekurve

Abbildung 7 unten zeigt die Batterielaufzeit des RSL10, wenn wir die Datengröße von 5 Bytes auf 31 Bytes erhöhen.

Abbildung 7: Batterielaufzeit des RSL10 SIP (31 Bytes)

Proprietäre HF-Protokolle

Proprietäre Sub-GHz-Funksysteme sind für drahtlose Übertragungen über größere Entfernungen ausgelegt. Mit einem Link-Budget von 153 db (16 dbm Tx-Leistung bei einer Empfindlichkeit von -135 Rx) kann der AXM0F24-Schmalband-SoC über eine Entfernung von 37 km bzw. 23 Meilen (915 MHz, 30 db Fade Margin) übertragen. Bei einer Entfernung von 1,1 km übertrifft der AXM0F243 die angestrebte tatsächliche Batterielaufzeit von 10 Jahren.

Abbildung 8: Tatsächliche Batterielaufzeit des AXM0F243

Mit dem richtigen Funk-SoC ist eine Batterielebensdauer von 10 Jahren für kurze und lange Reichweiten durchaus möglich.