Læsepen Lavt Strømforbrug Dyb Dvaletilstand: Reducerer Standby-strøm fra 0,7 mA til 0,08 mA

Målgruppe: Denne artikel henvender sig til OEM-firmwareingeniører, lav-strøm hardware-designere og indkøbsteams, der skal levere 30–180 dages standby på en enkelt opladning. Den gennemgår dyb-dvale-tilstandsmaskinen, vækningskilder og DCDC-effektivitet på alle aktive SKU'er (B1, B2, F8, K7, KF1, L5, P2, Q6, Q8, T2, Y6), med målt standby-strøm ved 23 °C.

En skoleudbudsordre på 4.000 enheder i Qatar blev sendt i starten af 2025 — men pennene blev stående i tolden i 11 uger, fordi importtilladelsen forsikkes på grund af papirforsinkelser. Da de nåede klasseværelset, var halvdelen af pennene på 0% batteri og nægtede at vågne. Rodårsagen var en firmware-fejl: dyb-dvale-tilstandsmaskinen på de ældre P2-penne gik ind i en "delvis dvale", der efterlod Wi-Fi-radioen i aktiv scanning og trak 4,6 mA kontinuerligt. Efter 11 uger × 7 dage × 24 timer × 4,6 mA var 500 mAh-batteriet tomt.

Løsningen var firmware 2.0.3 på P2, som tvinger BK3254 i dyb dvaletilstand og deaktiverer Wi-Fi-scanning, medmindre den vækkes eksplicit. Standby faldt fra 0,7 mA til 0,18 mA på P2, hvilket giver 115 dages hylde-standby. Den samme firmware-arkitektur gælder for alle 11 SKU'er, men vækningskilde-matrixen varierer.

Denne artikel er det lav-strøm designreference, vi giver til OEM-partnere under NPI. Den er forankret i fabrikkens målinger, ikke teori.

1. Dyb Dvale Tilstandsmaskinen

En moderne læsepen har fire strømtilstande, ordnet efter strømforbrug:

• Aktiv — fuld SoC ved 240 MHz, alle periferi-enheder tændt. ~80 mA.
• Ledig — CPU stoppet, periferi-enheder clock-gated. ~12 mA.
• Let Dvale — de fleste periferi-enheder slukket, RTC kører, GPIO-vækning aktiveret, kun retention RAM. ~0,08–0,7 mA afhængigt af SKU.
• — CPU slukket, RTC + RAM bibeholdt, langsom clock kører. ~1,2 mA.— de fleste perifere enheder slukket, RTC kører, GPIO-vækning aktiveret, kun retention-RAM. ~0,08–0,7 mA afhængigt af SKU.

Overgangene styres af PMU'en (Power Management Unit). På BK7251 / BK7252 (F8, K7, KF1, Q8, T2) er PMU'en integreret i SoC'en. På Realtek RTL8723DS (L5, Y6) og RTL8710B (P2) er PMU'en en ekstern AXP223 eller SY8089. På Actions ATW1531 (B1, B2, Q6) er PMU'en intern.

Vækningskilderne er:

• RTC-alarm — kalenderbegivenhed, periodisk timer.
• OID-sensor-afbrydelse — IR-LED + fotodiode registrerer en trykt kode.
• GPIO — tryk på knap, USB-stik, låg-åben-kontakt.
• BLE-annoncering — fast tidsplan, ikke afbrydelsesdrevet.
• Wi-Fi DTIM — beacon-lytning, hver 100 ms × DTIM.

I dyb dvaletilstand kan kun RTC, OID-sensor og GPIO vække SoC'en. BLE og Wi-Fi er slukket. Vækningstid fra dyb dvaletilstand til aktiv er 18–45 ms afhængigt af SKU.

2. Standby-strøm SKU for SKU

Målt ved 23 °C, 50% relativ fugtighed, fuldt opladet batteri, pen inaktiv i 30 minutter:

P2 med firmware 2.0.3 falder til 0,18 mA — bedre end alle andre SKU'er — fordi den ældre RTL8710B-silicium har en hardware-baseret dyb dvale, der helt omgår Wi-Fi-blokken. På firmware før 2.0.3 var P2 på 0,7 mA, hvilket forklarer den 11-uger lange toldfejl.

3. Prioritet og latenstid for vækning

Væknekildens prioritet bestemmer brugeroplevelsen. En pen, der vækkes via OID-sensorens interrupt, føles øjeblikkelig; en pen, der kun vækkes via RTC, føles død.

OID-sensorens wake er den dominerende vej — et barn peger pennen mod en trykt kode og forventer øjeblikkelig lyd. 8 ms-latensen er fastsat af fotodiodeforstærkerens stigetid plus MCU-ur-genstart. På K7 og KF1 har vi tilføjet et hardware-lavpasfilter på OID-sensorens indgang, hvilket reducerer falske opvågninger med 78% (sparer ~2,3 mAh/dag i et klasseværelse).

4. PMU- og DCDC-effektivitet

DCDC-omformeren er den næststørste strømforbruger i aktiv tilstand og et betydeligt bidrag i deep sleep. Vores standardvalg for PMU:

TPS62840 (TI) og AXP223 (X-Powers) er de højeffektive valg. L5, Q8, T2, Y6 bruger dem; de ældre B1, B2, P2 bruger lineære LDO'er. BOM-deltaen er $0,28–$0,46 pr. enhed, tjent ind igen inden for den første måneds skoleudrulning via længere batterilevetid.

5. GPIO-vækning og debouncing

Tænd/sluk-knappen på hver SKU bruger en GPIO-vækning med en hardware-RC-debounce (10 kΩ + 100 nF, 1 ms tidskonstant). Firmwaren tilføjer en 30 ms software-debounce for at undertrykke 50 Hz netstøj og utilsigtede tryk.

Uden debounce ville en skolepen, der ligger i en opladningsholder, vågne ved hvert net-spike og trække 80 mA aktivt i 26 ms. Ved 50 Hz er det 1,3 vækninger pr. sekund × 12 timer = 56.000 vækninger pr. dag, hvilket dræner 28 mAh. Debouncen reducerer dette til ~50 falske vækninger pr. dag.

6. RTC-drift og kalendervedligeholdelse

RTC'en på BK7251 / BK7252 / RTL8723DS / RTL8710B / ATW1531 er sourced fra et 32,768 kHz-krystal. Vores målte drift over 30 dage ved 23 °C er ±18 sekunder. Over driftstemperaturområdet -10 °C til +60 °C er driften ±45 sekunder pr. dag i værste fald.

For skoleprogrammer, der har brug for tidsstemplet brugstelemetri, gensynkroniserer pennen tiden ved hver Wi-Fi-forbindelse via SNTP. SNTP-poll er en del af cloud-synkroniseringen (se TC-044 IoT MQTT vs HTTP vs CoAP). Drift akkumuleres kun under lange Wi-Fi-afbrydelser; ved normal skolebrug er tidsstempel-driften <2 sekunder.

7. OID-sensor vækningsoptimering

OID-sensoren er den vigtigste vækningskilde. Den er også den største mulighed for strømbesparelse, fordi et barn kan trykke på pennen 200+ gange om dagen.

Sensoren består af:

• IR LED (VSMY2850G, 850 nm, 100 mA peak).
• Fotodiode (BPW34).
• Transimpedansforstærker (TLV2379).

I deep sleep er den IR LED slukket, og fotodioden er forspændt ved nul. Forstærkeren er i lavstrømstilstand med 1,5 µA quiescent. MCU GPIO overvåger forstærkerens udgang via en komparator-afbrydelse. Når barnet peger pennen mod en kode, hæver den reflekterede IR fotodiodestrømmen; komparatoren udløses og vækker MCU'en.

Vækning-til-lyd-latensen er 8 ms målt end-to-end. En falsk vækning (tilfældig omgivende lys-spike) sker 4–12 gange pr. dag på en skolepen. Firmwaren filtrerer falske vækninger ved at kræve to på hinanden følgende komparator-udløsninger inden for 50 ms.

8. Beslutningen mellem Light Sleep og Deep Sleep

Light sleep bevarer fuld RAM og kan vække på 1 ms. Deep sleep mister RAM (bevaret i kun 4 KB retention RAM) og vækker på 25–45 ms. De fleste penne foretrækker deep sleep, fordi:

1. RAM-retention koster 1,2 mA vs 0,08 mA i deep sleep.
2. De fleste vækningshændelser er RTC, OID eller knap — ingen kræver fuld RAM-tilstand.
3. 25–45 ms vækningslatens er acceptabel for OID-, knap- og låg-åben-stier.

Undtagelsen er BLE-advertising — for at opretholde en forbindelse skal SoC'en svare inden for 100 ms. Vi bruger light sleep til BLE-tilsluttede penne og deep sleep til BLE-afbrudte penne. Firmwaren skifter automatisk.

9. Strømbudgeteksempel — Q8

En Q8-pen på en skolehylde i 90 dage (sommerferie):

• 90 dage × 24 t × 0,5 mA = 1.080 mAh.

Men Q8 har et 1.000 mAh-batteri. Pennen overlever ikke 90 dages deep sleep — den ville være på 0 % på dag 83.

Fixen er ship-mode-jumperen:

• Ship mode trækker 8 µA (kun RTC + RTC-afbrydelseslogik).
• Et knaptryk eller USB-tilslutning afslutter ship mode.
• 1.000 mAh / 8 µA = 125.000 timer = 14 års holdbarhed på hylden.

Ship-mode-jumperen er en lille SMD-modstand (R32, 0 Ω), som fabrikken installerer, og som distributøren fjerner under pakningen. Fjernelse af den deaktiverer hoved-DCDC'en og isolerer batteriet fra alt undtagen RTC.

For udbud, der inkluderer lang forsendelse eller opbevaring, aktiverer vi ship mode som standard. Distributøren vender R32 på lageret inden levering.

11. Strømmodellering i fabrikkens testloop

En læsepen, der forlader fabrikken, er blevet valideret mod en strømmodel i firmware-CI. Modellen forudsiger deep-sleep-strøm givet SKU, firmwareversion, batterialder og omgivende temperatur. Vi tester hver produktionsbuild mod modellen på en 1 %-prøve; hvis den målte strøm overstiger modellen med mere end 15 %, tilbageholdes builden til gennemgang.

Modellen er et Python-script power_model.py der leveres med hver firmware-release. Importører og ODM'er kan køre det mod deres egne firmware-builds for at forudsige standby-strøm inden ICT. Modelkoefficienterne er dokumenteret på vores side om Strømstyring og runtime-optimering.

12. Strømstyringsdiagram til OEM-reference

Det komplette strømstyringsdiagram for Q8 og T2 er offentliggjort i vores Strømstyringsreference. Tilstandene og overgangene er:

• Boot (320 mA spids, 1,8 s) → Aktiv
• Aktiv (80 mA) → Ledig (CPU-stop)
• Ledig (12 mA) → Let dvaletilstand (periferienheder fra, RAM bibeholdt)
• Let dvaletilstand (1,4 mA) → Dyb dvaletilstand (RAM bibeholdt til kun 4 KB retention)
• Dyb dvaletilstand (0,5 mA) → Forsendelsestilstand (8 µA, R32 fjernet)

Tilbagevendende overgange styres af prioriteten for vækningskilden. OID-sensoren, RTC-alarmen og GPIO-interrupts kan vække fra enhver tilstand, herunder forsendelsestilstand. BLE-advertising og Wi-Fi DTIM kan kun vække fra let dvaletilstand, ikke fra dyb dvaletilstand.

Overgangsomkostningerne (energi til at gå ind i og ud af hver tilstand) er:

• Aktiv ↔ Ledig: 0,04 mJ
• Ledig ↔ Let dvaletilstand: 0,18 mJ
• Let dvaletilstand ↔ Dyb dvaletilstand: 0,62 mJ
• Dyb dvaletilstand ↔ Forsendelsestilstand: 1,40 mJ (kun ved fabrikskommando)

Modelkoefficienterne og en Python-referenceimplementering følger med hver firmware-release.

Tip til køberen: Når du vurderer en konkurrerende pen påstand om "standbytid", så spørg om tallet inkluderer BLE-advertising og OID-sensorvækning. En pen der deaktiverer OID-sensoren for at hævde "6 måneders standby" er ubrugelig som læsepen. Vores tal inkluderer altid 1 Hz BLE-advertising og OID-sensor aktiveret.

Relateret læsning

• Strømforbrug og driftstidstest
• Strømstyring og optimering af driftstid
• Type-C-opladning PD QC og BC1.2
• Batteriguide
• Batteriudskiftningsprogram
• Ældningsteststandarder