Ensigma 'Whisper' WiFi低功耗IP架构

作者:Narayanan Raman

WiFi目前已经发展为一种非常普遍的技术,也是物联网(IoT)互联的主要方式。然而WiFi面临的主要问题是对于功耗的要求非常严格,Imagination推出的Ensigma 'Whipser' 低功耗WiFi IP横空出世,能够为物联网和其他电池操作的设备提供完美的超低功耗解决方案。本篇文章我们与大家分享使用'Whisper' WiFi IP核来定制化芯片并且测量实际的功耗,测量系统功耗能够帮助我们确定最终产品的电池寿命。

测试环境搭建

我们的测量环境使用的是泰克科技(Techtronix)TDS 784D示波器和TCP202电流探针,对于低电流的测量我们使用的是一个数字万用表(Metrix MX56)。处于互连待机模式下电流的测量是将待测设备(DUT)与TP-Link AC750路由器连接,所有的电流测量都是经过通道1(Channel 1),通道模式处于混合模式(802.11 b/g/n),频率带宽20MHz,不启用加密。该测试环境既可以用于活跃状态(发送和接收)也可用于非活跃状态(睡眠模式)下的功耗测量。

 Ensigma 'Whisper' WiFi低功耗IP架构
图1:搭建测试环境和测量仪器

电源域分区

'Whisper' 无线电处理单元(RPU)具有多个电源分区,面向不同的功能模块提供电源,同时还设计了睡眠控制器,尽可能在最短的时间内为每一个电源分区提供电源,同时在最短的时间内切断电源。电源分区主要包括以下几个:3.3V用于功放(PA),1.6V用于射频信号(RF),1.1V用于数字模块。我们分别对每个电源分区进行的功耗测量。

 Ensigma 'Whisper' WiFi低功耗IP架构
图2:'Whisper'无线电处理单元(RPU)的电源分区设计

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图3:'Whisper'无线电处理单元(RPU)睡眠控制器设计

3.3V功放(PA)模块的功耗

功放模块的功耗测量分为两类:最高输出功率(最低数据速率)和最低输出功率(最高数据速率),如下图所示。从图片中我们可以看出发射输出功率在10.5dBm时的电流值为98mA,相应地功率在17.5dBm时的电流为136mA。功放模块是发射通路的主要功耗,'Whisper'架构主要就是降低每个模块(包括功放)的功耗。

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图4:802.11n MCS7信号@10.5dBm的传输过程

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图5:802.11b 1Mbps信号@17.5dBm的传输过程

1.8V射频(RF)模块功耗

射频模块的功耗分别测量了发射通路和接收通路,如下图所示。从图中我们可以看出,接收链路的功耗电流是29mA,发射链路的功耗电流是59mA,接收功耗是互连待机状态下功耗的关键参数,'Whisper' IP核对于接收链路的功耗进行了具体的优化。

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图6:802.11 n MCS7信号的接收

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图7:802.11 n MCS7信号的发射

1.1V电源分区的功耗

数字化分区同样也测量了发射和接收链路的功耗情况,如下方图片所示。在这种模式下,接收链路的电流为16mA,发射链路的电流为13mA。通过基带的创新算法和门功率的控制的结合对数字化分区的功耗进行了全面的优化。

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图8:802.11n MCS7信号的接收与发送

当前状态下的功耗总结

对于物联网(IoT)设备来说功耗的关键指标就是接收状态下的功耗,详情如下方表格所示。在活跃模式下'Whisper'内核接收功耗为64mW,通过对大部分类似设备的测试以及数据统计,可以公平的指出在大多数情况下'Whisper'内核的接收功耗表现更好——在大部分情况下约为50%。

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表1:功耗数据统计

应用能耗计算实例:

对于间歇性工作状态的设备比如烟雾警报传感器,该设备会在每隔一段时间就会激活与服务器(或接入点)进行数据通信。主要涉及两种工作状态:静态功耗(睡眠模式)和激活功耗(这个状态下RF收发器的各个子模块都需要消耗功率并且接收数据)。

这个场景下互连待机状态下功耗计算如下:

功耗 = 29mA*33ms + 0.5mA*(304-33)ms = 1.1mC
在一小时内,如果这个设备每隔两分钟激活一次(一小时也就是30次),那么总的功耗计算就是 = 1.1 * 30mAs。
对于一个电池容量为1000mAH的电源来讲,那么它的寿命为 = (1000 mAh/33(mAs))/24 小时 = 12.45 年

 Ensigma 'Whisper' WiFi低功耗IP架构

总结

通过上文的测试分析,Ensigma 'Whisper'低功耗WiFi IP核消耗的功率大约是相似设备功耗的一半,是物联网应用理想的解决方案,具有低成本、低功耗和可靠的性能等关键特性。

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原文链接: https://www.imgtec.com/blog/ensigma-whisper-wi-fi-power-consumption/

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