nRF52 Power优化降低70%以上耗电量

一、电路优化

二、电量消耗预估

Online Power Profiler https://devzone.nordicsemi.com/power/

1、使用外部32kHz晶振或者使用内部32kHz RC

2、广播消耗：

• 广播间隔
• 每个广播包的广播有效数据的字节数
• 持续的广播或定期的广播
• 每个广播间隔处理时间

3、连接期间电流消耗：

• 连接时间间隔
• 从机延时
• 每个包中的RX有效载荷
• 每个包中的TX有效载荷
• 每个连接间隔中要接收的RX数据包的数量(最多6个)
• 每个连接间隔中要发送的TX数据包数量(最多6个)
• 32 khz主时钟精度
• 每个连接间隔中的应用程序处理时间

4、计算SPI、UART或TWI传输的电流消耗

• 使用什么接口,SPI,UART,TWI
• 传输速度
• 数据统计
• 发射、接收或者两者都用

还有使用其他外围设备电量消耗，如TIMER、GPIOTE等 ；尽可能提供以上参数，可以更加准确估算当前驱动程序的电量消耗。

三、电池寿命预估

已知设备的平均电流消耗和电池的容量，计算电池寿命。以下是不同能量容量电池的电池寿命计算实例:

例1：

设备的平均电流消耗 :20uA

电池容量:220mAh (标准CR2032纽扣电池 )

电池寿命:

0.22Ah/0.00002A=11000hours=458days 0.22 A h / 0.00002 A = 11000 h o u r s = 458 d a y s

例2：

设备的平均电流消耗 :100uA

电池容量:220mAh (标准CR2032纽扣电池 )

电池寿命:

0.22Ah/0.0001A=2200hours=91days 0.22 A h / 0.0001 A = 2200 h o u r s = 91 d a y s

例3：

设备的平均电流消耗 :100uA

电池容量:1000mAh (标准CR2477纽扣电池 )

电池寿命:

1Ah/0.0001A=10000hours=417days 1 A h / 0.0001 A = 10000 h o u r s = 417 d a y s

四、电源优化

1、系统

• 通过使能和设置DC/DC转换，可以使当前消耗大大降低。根据设计，可以减少40%或更多的电量使用。占空比越高，从DC/DC转换省下的消耗就越多。

  • main.c文件，main函数设置:NRF_POWER->DCDCEN = 1;
  • 在sdk_config.h中配置 POWER_CONFIG_DEFAULT_DCDCEN = 1

• 关闭日志日志记录:

  • main.c文件，main函数中注释掉log_init();
  • 在sdk_config.h中相关的log记录使能配置为0

• 通过使能和设置外部32kHz LFCLK晶振，可以节省1-2%的电能。在非常低的工作周期应用程序中，广播间隔越大的beacon，节省的电量越多。

  • main.c文件，ble_stack_init()函数中go to Definition of ‘nrf_sdh_enable_request();’进入nrf_sdh.c文件中的ret_code_t nrf_sdh_enable_request(void)函数找到:

  nrf_clock_lf_cfg_t const clock_lf_cfg =
      {
          .source       = NRF_SDH_CLOCK_LF_SRC, 
          .rc_ctiv      = NRF_SDH_CLOCK_LF_RC_CTIV, 
          .rc_temp_ctiv = NRF_SDH_CLOCK_LF_RC_TEMP_CTIV,
          .accuracy     = NRF_SDH_CLOCK_LF_ACCURACY
      };

  .source配置脉冲时钟源:/脉冲时钟源，0内部时钟源NRF_CLOCK_LF_SRC_RC ，1外部晶振源NRF_CLOCK_LF_SRC_XTAL ，2合成时钟源NRF_CLOCK_LF_SRC_SYNTH ;

  .rc_ctiv配置校准时间间隔，使用外部晶振源设置为0；

  .rc_temp_ctivRC振荡器需要校准的频率 ,使用外部晶振源设置为0;

  .accuracy配置外部时钟精度，设置为NRF_CLOCK_LF_ACCURACY_20_PPM

• 确保提供一种测量nRF52电流的方法。如果nRF52电源与其他电路结合，将无法独立地测量它并得到有意义的结果 参考图nRF current measurement电路

• 选择合适纽扣电池。nRF52832脉冲电流为7mA (DCDC)和12mA (w/o DCDC)。适当的去耦可以减轻这些脉冲对电池的影响，但是高脉冲电流和低温可以显著降低纽扣电池的总容量。

• 查阅勘误表，并注意你的设计的功耗。 可能会影响到串口或其他的外围设备选择。

• 尽量将设备在3V电压上工作(尽管芯片允许5V电压工作)，除了GPIO以外，内部电路没有一个在这些电压下运行 ，因此，在较低的电压下运行不会减少功耗 。

• 只对需要保留的内存使用RAM_RETENTION ，使用更多会增加不必要的功耗

• nRF52上只有两种电源模式:SYSTEM_ON和SYSTEM_OFF :

  • SYSTEM_OFF :是最低功耗模式，工作电流为300nA (nRF52832)或400nA (nRF52840)，在该模式下，系统的内核和所有在运行的任务都会停止，也就是说时钟也停止，相当于关机状态。可以直接控制POWER相关寄存器使系统进入System OFF模式(NRF_POWER->SYSTEMOFF = 1; )，也可以通过API函数(sleep_mode_enter()或nrf_pwr_mgmt_run()此函数执行__WFE()指令进入睡眠前清除所有事件)，可以参考SDK中的nrf_pwr_mgt例子，系统进入System OFF模式会保留GPIO之前的状态，包括GPIO的输入/输出、I2C总线、SPI总线等，所以在进入System OFF模式前应该将GPIO都释放掉，使用nrf_gpio_cfg_default(pin)释放GPIO，同时，如果有I2C或SPI等总线外设也需要释放掉;可以通过复位、GPIO中断或NFC信号(增加100nA)进行唤醒 。从System OFF模式中唤醒程序会发生复位，参考 832 product spec和840 product spec 文档

  如果需要在进入睡眠前保留RAM参数，则可以在main函数中设置:

  // 睡眠保留RAM的参数 
  NRF_POWER->RAMON = POWER_RAMON_ONRAM0_RAM0On<| POWER_RAMON_ONRAM1_RAM1On<
                  | POWER_RAMON_OFFRAM0_RAM0Off<
                  |POWER_RAMON_OFFRAM1_RAM1Off<

  • SYSTEM_ON: 此状态有持续的延迟和低功率子模式。在默认的低功耗子模式中，通常最低功耗为1.9uA (nRF52832)或1.5uA(nRF52840)，包括LFCLK和RTC。这是连接事件之间的正常状态。CPU在计时器、外围设备或pin中断时重新启动。

2、硬件

• 请注意，根据场景，单脚GPIOTE中断可能比端口GPIOTE中断使用更多的电量。
• 所有GPIO的默认状态为断开连接输入状态。除了你需要使用的引脚配置为其他类型，否则将未使用的引脚保留默认状态，并且物理上断开连接以控制无电流损耗。
• 在0dBm时，打开DC/DC, nRF52832发射电流5.3mA。将TX功率增加到+4dBm只增加2.2mA。减少到- 40dbm只节省2.6mA。
• 考虑为具有高漏电流的传感器增加一个GPIO控制的电源开关(例如高侧p通道MOSFET)，以减少系统断电电流 。

3、软件

• 注意在SDK示例的main函数的while(1)循环中power_manage()或sd_app_evt_wait()调用 。运行此指令以处理中断和竞态条件，并允许适当地闲置CPU。如果您的代码没有达到这条指令，CPU将继续处于打开状态并消耗电量。
• 尽可能使用应用程序计时器而不是软件延迟。软件延迟循环将保持CPU的运行能力。

4、调试

• 如果SWD调试器连接没有正常断开，则nRF52可能仍然处于调试接口(DIF)模式。当设备处于调试接口模式时，它将增加额外的电流，因为它始终保持一定的外围设备集。执行引脚重置，给定的引脚重置已在部件上启用，且可访问，是确保不启用DIF模式的一种常见方法
• 使用合适的工具来测量你的电流。使用在线电源分析器和产品规格号来估计你的平均电流。使用PPK测量 或 correct method 测量。请注意，PPK测量在非常、非常低的静态电流水平上是不准确的。
• 在测量电流时，一定要用电池为你的设计供电，因为电源可能会引入未知的变量。
• 下面列出了最常见的电源场景以及如何识别它们 :
  
  • 测量电流大约是4mA :CPU正在运行，要么是你故意使用它，要么是因为你没有运行power_manage();该指令是关闭CPU的指令。
  • 在SYSTEM_OFF模式下，测量电流比几百个nA多得多 :这个部分实际上并不是在SYSTEM_OFF模式中，而是有一些东西还在运行…如CPU，外围设备。确保您的关机过程确实关闭了所有的设备。循环电源以确保SWD端口没有被疏忽打开。另一个常见的问题是在debug interface (DIF)模式下，通过连接调试器或在编程之后不进行电源循环。
  • 在SYSTEM_ON模式下关闭CPU，但是测量了100的uA :你可能留下了一个外设，可能是故意的。如果您通过UART启用了日志记录，那么也将使用这个数量的电流。在sdk_config.h文件中关闭UART日志记录支持RTT。除非调试器已连接，否则RTT不会使用电流。
  • 测量到10mA:nRF52几乎不可能消耗这么大的电流。几乎可以肯定的是，你同时测量了外设电路的电流。