低功耗藍牙（BLE），也稱為藍牙智能，可為可穿戴設備，物聯網應用和其他智能設備提供高效的連接和互操作性。對于設計人員而言，這些設計中有限的功耗預算繼續挑戰他們滿足消費者對連接和延長操作時間的需求。通過了解BLE峰值功率需求，工程師可以使用來自Dialog Semiconductor，Laird Embedded Wireless Solutions，Murata Electronics，Panasonic和Texas Instruments等制造商的可用IC和模塊來滿足嚴格的功率預算和高效連接要求。

可穿戴設備和物聯網設備的快速接受使人們對利用低功耗設計方法（包括能量收集）的能力產生了濃厚的興趣，以延長電池的使用壽命，甚至完全消除它們。消費者對簡單無線連接的需求繼續挑戰設計人員平衡可用電源與應用所需功率的能力，特別是無線通信。

在無線通信中，功耗是一系列復雜因素的函數。在考慮設計的功率預算時，工程師不僅必須在接收，發送和靜止狀態中包含更熟悉的設備電流要求，還要考慮與通信協議本身相關的功率要求。能夠快速初始化，快速傳輸短脈沖數據并快速返回睡眠狀態的簡單協議通常會導致總體功耗要求低于可能提供更復雜功能但需要更多時間和功率的協議所以。

對于某些應用，在指定的功率預算內實現傳輸范圍和數據速率的特定目標的需要可以規定使用自定義通信協議。在這里，協議設計人員可以減少開銷 - 例如，交易降低了靈活性，適用于更長的范圍，更高的吞吐量和更低的功耗。然而，對于新興的可穿戴和物聯網應用類別，基于標準的通信是充滿已安裝產品基礎的市場的基本要求，包括智能手機，平板電腦和其他移動設備。為了與這些產品進行通信，藍牙已成為常見的連接選項，BLE已迅速成為將可穿戴設備和其他個人電子設備連接到這些主機的首選方案。

小型有效載荷

BLE經過優化，可以盡可能快速，高效地提供小型有效載荷，旨在消耗最少的功率，并以最低的延遲與最大范圍的主機設備進行通信。實際上，BLE能夠實現260 kbps的數據速率，但代價是增加的功率要求可能會使許多可穿戴設備或物聯網應用超出其功率預算。需要更高數據速率的應用最好通過藍牙BR/EDR等其他連接選項提供服務。

可穿戴設備，物聯網設備和大多數傳感器應用程序將大部分時間用于睡眠或靜止操作狀態，由外部事件喚醒或由定時器定期處理數據。因此，靜態功耗至關重要。同時，快速喚醒的能力對于最大化電力利用效率是重要的。功率受限的設計可能無法承受冗長的初始化階段或延長的握手協議所耗費的功率來建立連接會話。

事實上，BLE低功耗定義的一個重要策略是盡可能地關閉無線電。當需要通信時，BLE使用簡單的通信方法來減少無線電操作時間。實際上，BLE設備僅需要3毫秒即可建立連接，完成通信事務并返回靜止狀態。相比之下，藍牙可能需要長達100毫秒才能完成鏈路級連接。

了解BLE峰值功率

對于任何低功耗設計，無線通信可以決定峰值功率要求，而能量采集設計可以滿足能量轉換，電源管理和能源儲備。在操作期間，通信事務的不同階段需要不同但很大程度上可預測的處理時間和連接事件的功率。例如，使用德州儀器CC2541的典型設計將演示與喚醒，RX，TX和處理相關的不同峰值功率相位（圖1）。

圖1：在單個連接序列期間，諸如德州儀器CC2541的BLE設備在接收和發送數據包時表現出多個峰值電流需求。 （由Texas Instruments提供）

對于圖1所示的示例，喚醒階段消耗約6.0 mA并且需要大約400μsec。 （圖中所示的初始尖峰是由于CC2541內部穩壓器中的電容器充電時突然耗電 - 因為它被喚醒 - 通常通過外部電容器消除了電源尖峰。）喚醒后，器件經歷了用于處理的短功率平臺（7.4 mA，340μsec），然后是通信初始化階段，設備準備其RX和TX電路。此階段在完整RX階段（17.5 mA，190μsec）之前產生短暫的峰值（11.0 mA，80μsec），其中設備偵聽來自主設備的數據包。在RX之后，器件短暫返回到基本功率平臺（7.4 mA，105μsec），然后在器件向主器件發送數據包時再次返回其TX峰值功率電平（17.5 mA，115μsec）。在TX之后，設備返回其基本功率平臺以處理持續一段時間的處理，該持續時間在很大程度上取決于應用，特別是數據有效載荷。在這種情況下，處理階段持續1280微秒并消耗7.4mA。最后，器件在實際返回睡眠狀態之前執行到睡眠的轉換（4.1 mA，160μsec）。

BLE功率配置文件的具體細節當然取決于具體應用和BLE設備本身。實際上，從應用程序到應用程序，從設備到設備，甚至從事件到事件，每個連接事件的總處理時間并不總是完全相同。但是，接收和發送數據所需的時間和功率通常會保持非常穩定。然而，通過了解這種特性的BLE功率曲線，工程師可以更好地優化功率受限設計中的功率預算，尤其是能量采集設計。此外，通過預測峰值需求，設計人員可以確定能量存儲設備的需求和所需容量，例如在環境供電設計中提供備用電源所需的超級電容器或可充電電池。

降低功耗

工程師可以找到比圖1中建議的更低功率要求的BLE解決方案。例如，德州儀器CC2640僅在5.9 mA時實現RX，在6.1 mA時實現TX（0 dBm） ）。作為TI SimpleLink無線系列的成員，CC2640將ARM Cortex-M3 32位內核主處理器與專用于無線操作的ARM Cortex-M0相結合。除了豐富的數字外設外，該器件還包括TI的傳感器控制器，包括ADC，比較器和其他模擬外設 - 所有這些都能夠自主收集模擬和數字數據，同時系統的其余部分處于睡眠模式（圖2）。其他SimpleLink設備（例如TI CC2650）將BLE與其他連接選項（如ZigBee，6LoWPAN等）相結合。

圖2：對于其CC2640 BLE器件，德州儀器（TI）將多個ARM內核與一系列廣泛的數字和模擬外設相結合，以實現自主數據采集。可穿戴設備和物聯網應用。 （德州儀器公司提供）

Dialog Semiconductor DA14580結合了ARM Cortex-M0內核，BLE內核和數字外設（圖3），實現了RX和TX的功耗僅為4.9 mA（0 DBM）。該器件在睡眠模式下僅需600 nA，并且能夠在低至0.9 V的電源電壓下工作.DA14580的集成無線電收發器實現了BLE協議的RF部分，并與藍牙4.0 PHY層一起提供93 dB RF無線通信的鏈接預算。

圖3：Dialog Semiconductor DA14580的工作電壓低至0.9 V，睡眠模式下僅需600 nA。 （由Dialog Semiconductor提供）

除了TI CC2640和Dialog DA14580等專用BLE器件外，設計人員還可以找到結合了濾波器，晶體，天線和其他分立元件的BLE模塊，以提供完整的BLE連接解決方案。例如，Laird 450-0119 SaBLE-x BLE模塊構建了圍繞TI CC2640 IC的插入式解決方案，而Murata Electronics LBCA2HNZYZ模塊和Panasonic PAN1740模塊將Dialog DA14580與提供插入所需的其他組件相結合。 BLE解決方案。

結論

對于可穿戴設備和物聯網設備設計，藍牙低功耗提供了一種極具吸引力的無線通信選項，將無處不在的連接與能量收集和電池所需的低功耗性能相結合 - 動力設計。通過了解BLE通信的詳細功率要求，工程師可以解決功率受限設計中的峰值功率需求。利用可用的專用IC和完整的插入式模塊解決方案，工程師可以快速將BLE無線通信添加到低功耗應用中。