Syväunitilan virta, herätyslähteet ja DCDC-hyötysuhde 11 lukukynän mallilla. RTC-herätys, GPIO-herätys, ULP-apuprosessori ja vähävirtaisen suunnittelun BOM-vaikutus.

Lähetetty: loka 18, 2021 - 87 Näyttökerrat

Lukukynän vähävirtainen syväunitila: Valmiusvirran pudotus 0,7 mA:sta 0,08 mA:iin

Smart reading pen with a glowing sensor tip

Lukukynän virransäästön syväunitila: valmiusvirran leikkaaminen 0,7 mA:sta 0,08 mA:han

Kohderyhmä: Tämä artikkeli on suunnattu OEM-laiteohjelmistosuunnittelijoille, vähävirtaisille laitteistosuunnittelijoille ja hankintatiimeille, joiden on toimitettava 30–180 päivän valmiusaika yhdellä latauksella. Se käy läpi syväunitilan tilakoneen, herätyslähteet ja DDC-hyötysuhteen jokaisella aktiivisella SKU:lla (B1, B2, F8, K7, KF1, L5, P2, Q6, Q8, T2, Y6), mitattuna valmiusvirtana 23 °C:ssa.

4 000 kynän koulutushankinta Qatarissa toimitettiin alkuvuodesta 2025 — mutta kynät jäivät tulliin 11 viikoksi tuontiluvan paperityön viivästyttyä. Kun ne lopulta pääsivät luokkahuoneisiin, puolissa kynistä akku oli 0 % eivätkä ne heränneet. Juurisyy oli laiteohjelmistovirhe: P2-legacykynien syväunitilan tilakone siirtyi "osittaiseen uneen", jossa Wi-Fi-radio jäi aktiiviseen hakuun ja veti jatkuvasti 4,6 mA. 11 viikkoa × 7 päivää × 24 tuntia × 4,6 mA myötä 500 mAh:n akku tyhjeni.

Korjaus oli P2:n laiteohjelmisto 2.0.3, joka pakottaa BK3254:n syväuneen ja estää Wi-Fi-haun ilman erillistä herätystä. Valmiusvirta laski P2:lla 0,7 mA:sta 0,18 mA:han, mikä antaa 115 päivän hyllyvalmiusajan. Sama laiteohjelmistoarkkitehtuuri pätee kaikkiin 11 SKU:hun, mutta herätyslähteiden matriisi vaihtelee.

Tämä artikkeli on vähävirtaisen suunnittelun viite, jonka annamme OEM-kumppaneille NPI-vaiheen aikana. Se perustuu tehdasmittauksiin, ei teoriaan.

1. Syväunitilan tilakone

Modernissa lukukynässä on neljä virtatilaa, kulutuksen mukaan järjestettynä:

  • Aktiivinen — SoC täydellä 240 MHz:n kellolla, kaikki oheislaitteet päällä. ~80 mA.
  • Lepotila — CPU pysäytetty, oheislaitteiden kellot katkaistu. ~12 mA.
  • Kevyt uni — CPU pois päältä, RTC + RAM säilytetty, hidas kello käynnissä. ~1,2 mA.
  • Syvä uni — suurin osa oheislaitteista pois päältä, RTC käynnissä, GPIO-herätys käytössä, vain säilytys-RAM. ~0,08–0,7 mA SKU:sta riippuen.

Siirtymiä hallinnoi PMU (Power Management Unit). BK7251 / BK7252 -piireillä (F8, K7, KF1, Q8, T2) PMU on integroitu SoC:hen. Realtek RTL8723DS (L5, Y6) ja RTL8710B (P2) -piireillä PMU on ulkoinen AXP223 tai SY8089. Actions ATW1531 -piirillä (B1, B2, Q6) PMU on sisäinen.

Herätyslähteet ovat:

  • RTC-hälytys — kalenteritapahtuma, jaksotettu ajastin.
  • OID-anturin keskeytys — IR-LED + valodiodi havaitsee painetun koodin.
  • GPIO — painallus, USB-liitäntä, kannen avauskytkin.
  • BLE-lähetys — kiinteä aikataulu, ei keskeytyspohjainen.
  • Wi-Fi DTIM — majakan kuuntelu, 100 ms × DTIM.

Syvässä unessa vain RTC, OID-anturi ja GPIO voivat herättää SoC:n. BLE ja Wi-Fi ovat sammutettuina. Herätysaika syvästä unesta aktiiviseksi on 18–45 ms SKU:sta riippuen.

2. SKU-kohtainen valmiusvirta

Mitattu 23 °C:n lämpötilassa, 50 %:n suhteellisessa kosteudessa, täyteen ladatulla akulla ja kynä käyttämättömänä 30 minuuttia:

Malli Aktiivinen (mA) Lepotila (mA) Kevyt uni (mA) Syvä uni (mA) Heräämisaika (ms)
B1 78 11 1.4 0.6 36
B2 76 10 1.3 0.6 35
F8 80 12 1.5 0.5 32
K7 75 10 1.2 0.55 30
KF1 76 11 1.2 0.5 28
L5 82 13 1.6 0.55 30
P2 84 14 1.8 0.18 (firmware 2.0.3) 45
Q6 76 11 1.4 0.55 34
Q8 78 12 1.4 0.5 26
T2 90 14 1.7 0.6 25
Y6 82 13 1.6 0.55 30

P2-malli firmware-versiolla 2.0.3 pudottaa kulutuksen 0,18 mA:iin – parempi kuin yhdessäkään muussa SKU:ssa – koska vanhemmassa RTL8710B-piiristössä on laitteistotason syvä unitila, joka ohittaa Wi-Fi-lohkon kokonaan. Firmware-versioilla ennen 2.0.3 P2 kulutti 0,7 mA, mistä johtui 11 viikon tulliselvitysongelma.

Deep Sleep Current (mA) by SKU, 23 °C

3. Herätyslähteiden prioriteetti ja vasteaika

Herätyslähteen prioriteetti ratkaisee käyttökokemuksen. Kynä, joka herää OID-anturin keskeytyksestä, tuntuu välittömältä; vain RTC-herätykseen tukeutuva kynä vaikuttaa elottomalta.

Herätyslähde Viive (ms) Energia per herätys (mAs) Prioriteetti
OID-anturin keskeytys 8 0.4 1 (korkein)
Virtapainike 22 0.9 2
Kannen avauksen kytkin (KF1, L5, Q8, T2, Y6) 28 1.2 3
RTC-hälytys 32 1.4 4
USB VBUS -liitäntä 18 0.8 5
BLE-mainosaikaväli 90 4.6 6 (alhaisin)

OID-anturin herätys on hallitseva polku — lapsi osoittaa kynällä painettuun koodiin ja odottaa välitöntä ääntä. 8 ms viive määräytyy fotodiodivahvistimen nousuajan ja MCU-kellon uudelleenkäynnistyksen mukaan. Malleissa K7 ja KF1 lisäsimme OID-anturin tuloon laitteistopohjaisen alipäästösuodattimen, joka vähentää virheellisiä herätyksiä 78 % (säästää noin 2,3 mAh/päivä luokkahuoneessa).

4. PMU- ja DCDC-hyötysuhde

DCDC-muunnin on toiseksi suurin virrankuluttaja aktiivitilassa ja merkittävä tekijä syvässä lepotilassa. Oletusvalintamme PMU-ratkaisuiksi:

Malli PMU Hyötysuhde aktiivitilassa Lepovirta syvässä lepotilassa BOM-kustannus
B1, B2 Sisäinen LDO 78 % (lineaarinen) 4 µA $0.00
F8 SY8089 92 % 8 µA $0.12
K7, KF1 SY8089 92 % 8 µA $0.12
L5 TPS62840 95 % 1.5 µA $0.28
P2 RT9013 LDO 75 % (lineaarinen) 6 µA $0.05
Q6 SY8089 92 % 8 µA $0.12
Q8 TPS62840 95 % 1.5 µA $0.28
T2 TPS62840 + AXP223 96 % 0,8 µA $0,46
Y6 TPS62840 95 % 1,5 µA $0,28

TPS62840 (TI) ja AXP223 (X-Powers) ovat korkean hyötysuhteen vaihtoehtoja. L5, Q8, T2, Y6 käyttävät niitä; vanhat B1, B2, P2 käyttävät lineaarisia LDO-säätimiä. BOM-delta on $0,28–$0,46 yksikköä kohti, mikä kattaa itsensä ensimmäisen koulujakelukuukauden aikana pidempänä akunkestona.

5. GPIO-herätys ja virranpoisto

Virtapainike käyttää jokaisessa SKU:ssa GPIO-herätystä ja laitteistopohjaista RC-virranpoistoa (10 kΩ + 100 nF, 1 ms aikavakio). Laiteohjelmisto lisää 30 ms ohjelmistopohjaisen virranpoiston vaimentaakseen 50 Hz:n verkkovirran häiriöt ja tahattomat painallukset.

Ilman virranpoistoa koulun kynä, joka on lataustelakassa, heräisi jokaisesta verkkovirran piikistä ja kuluttaisi 80 mA aktiivisena 26 ms ajan. 50 Hz:n taajuudella tämä tarkoittaa 1,3 herätystapahtumaa sekunnissa × 12 tuntia = 56 000 herätystä päivässä, mikä kuluttaisi 28 mAh. Virranpoisto vähentää tämän noin 50 väärään herätykseen päivässä.

6. RTC-poikkeama ja kalenterin ylläpito

BK7251 / BK7252 / RTL8723DS / RTL8710B / ATWW1531 -piirien RTC saa kellopulssin 32,768 kHz kiteestä. Mittauksemme mukaan poikkeama 30 päivän aikana 23 °C:ssa on ±18 sekuntia. Käyttölämpötila-alueella -10 °C – +60 °C poikkeama on pahimmillaan ±45 sekuntia vuorokaudessapahimmassa tapauksessa.

Kouluohjelmissa, joissa tarvitaan aikaleimallista käyttötelemetriaa, kynä synkronoi ajan jokaisen Wi-Fi-yhteyden yhteydessä SNTP:llä. SNTP-kysely on osa pilvisynkronointia (katso TC-044 IoT MQTT vs HTTP vs CoAP). Poikkeama kertyy vain pitkien Wi-Fi-katkosten aikana; normaalissa koulukäytössä aikaleiman poikkeama on <2 sekuntia.

7. OID-anturin herätyksen optimointi

OID-anturi on tärkein herätyslähde. Se on myös suurin mahdollisuus virransäästöön, koska lapsi voi napauttaa kynää 200+ kertaa päivässä.

Anturi koostuu seuraavista osista:

  • IR-led (VSMY2850G, 850 nm, 100 mA huippu).
  • Valodiodi (BPW34).
  • Transimpedanssivahvistin (TLV2379).

Syvässä lepotilassa IR-led on pois päältä ja valodiodi on esijännitetty nollaan. Vahvistin on matalan tehon tilassa, jolloin lepovirta on 1,5 µA. MCU:n GPIO valvoo vahvistimen lähtöä komparaattorikeskeytyksellä. Kun lapsi osoittaa kynän koodia kohti, heijastunut infrapuna kasvattaa valodiodin virtaa; komparaattori laukeaa ja herättää MCU:n.

Herätyksestä äänentoistoon mitattu kokonaisviive on 8 ms. Väärä herätys (satunnainen ympäristön valopiikki) tapahtuu 4–12 kertaa päivässä koulukynällä. Laiteohjelmisto suodattaa väärät herätykset vaatimalla kaksi peräkkäistä komparaattorilaukaisua 50 ms:n sisällä.

8. Kevyen lepotilan ja syvän lepotilan valinta

Kevyt lepotila säilyttää koko RAM-muistin ja voi herätä 1 ms:ssa. Syvä lepotila menettää RAM-muistin (vain 4 KB:n säilytys-RAM säilyy) ja herää 25–45 ms:ssa. Useimmat kynät suosivat syvää lepotilaa, koska:

  1. RAM-muistin säilyttäminen kuluttaa 1,2 mA vs 0,08 mA syvässä lepotilassa.
  2. Useimmat herätystapahtumat ovat RTC, OID tai painike — mikään niistä ei tarvitse koko RAM-tilaa.
  3. 25–45 ms:n herätysviive on hyväksyttävä OID-, painike- ja kannen avauspoluille.

Poikkeus on BLE-lähetys — yhteyden ylläpitämiseksi SoC:n on vastattava 100 ms:n kuluessa. Käytämme kevyttä lepotilaa BLE-yhdistetyille kynille ja syvää lepotilaa BLE-yhteydettömille kynille. Laiteohjelmisto vaihtaa tilaa automaattisesti.

9. Virtabudjetin esimerkki — Q8

Q8-kynä koulun hyllyssä 90 päivää (kesäloma):

  • 90 päivää × 24 h × 0,5 mA = 1 080 mAh.

Mutta Q8:n akku on 1 000 mAh. Kynä ei selviä 90 päivää syvässä lepotilassa — se olisi 0 %:ssa päivänä 83.

Ratkaisu on laivaustila-jumpperi:

  • Laivaustila kuluttaa 8 µA (vain RTC + RTC-keskeytyslogiikka).
  • Painikkeen painallus tai USB-liitäntä poistuu laivaustilasta.
  • 1 000 mAh / 8 µA = 125 000 tuntia = 14 vuotta hyllyikää.

Laivaustilan jumpperi on pieni SMD-vastus (R32, 0 Ω), jonka tehdas asentaa ja jakelija poistaa pakkauksen aikana. Sen poistaminen poistaa käytöstä pää-DCDC-muuntimen ja eristää akun kaikesta muusta paitsi RTC:stä.

Tarjouskilpailuissa, joihin sisältyy pitkä kuljetus tai varastointi, otamme laivaustilan oletuksena käyttöön. Jakelija kääntää R32:n varastolla ennen toimitusta.

11. Virranmallinnus tehtaan testausjonossa

Tehtaalta lähtevä lukupenkki on validoitu virranmallia vasten laiteohjelmiston CI-prosessissa. Malli ennustaa syvän lepotilan virran SKU:n, laiteohjelmistoversion, akun iän ja ympäristön lämpötilan perusteella. Testaamme jokaisen tuotanto-version mallia vasten 1 %:n otoksella; jos mitattu virta ylittää mallin yli 15 %:lla, versio pidätetään tarkistettavaksi.

Malli on Python-skripti power_model.py joka toimitetaan jokaisen laiteohjelmistoversion mukana. Maahantuojat ja ODM-valmistajat voivat ajaa sitä omille laiteohjelmistoversioilleen ennustaakseen valmiusvirran ennen ICT:tä. Mallin kertoimet on dokumentoitu sivullamme Virranhallinta ja käyttöajan optimointi.

12. Virranhallinnan tilakaavio OEM-viitteeksi

Q8- ja T2-mallien täydellinen virranhallinnan tilakaavio on julkaistu Power Management Reference:ssamme. Tilat ja siirtymät:

  • Boot (320 mA huippu, 1,8 s) → Active
  • Active (80 mA) → Idle (CPU pysähdyksissä)
  • Idle (12 mA) → Light Sleep (oheislaitteet pois päältä, RAM säilytetään)
  • Light Sleep (1,4 mA) → Deep Sleep (RAM säilytetään vain 4 KB:n säilytysalueelle)
  • Deep Sleep (0,5 mA) → Ship Mode (8 µA, R32 poistettu)

Käänteisiä siirtymiä ohjaa herätyslähteen prioriteetti. OID-anturi, RTC-hälytys ja GPIO-keskeytykset voivat herättää laitteen mistä tahansa tilasta, mukaan lukien ship mode. BLE-lähetys ja Wi-Fi DTIM voivat herättää vain light sleep -tilasta, eivät deep sleep -tilasta.

Siirtymien kustannukset (kuhunkin tilaan siirtymiseen ja sieltä poistumiseen tarvittava energia):

  • Active ↔ Idle: 0,04 mJ
  • Idle ↔ Light Sleep: 0,18 mJ
  • Light Sleep ↔ Deep Sleep: 0,62 mJ
  • Deep Sleep ↔ Ship Mode: 1,40 mJ (vain tehdaskomennolla)

Mallikertoimet ja Python-viitetoteutus toimitetaan jokaisen laitejulkaisun mukana.

Käyttötapaus Suositeltu SKU Huomautukset
Aina päällä kotikäytössä, ladataan päivittäin B2, Q6, Q8 0,5–0,6 mA:n valmiustila riittää
Koulu, päivittäinen lataus L5, Y6 0,55 mA valmiustila, 8,5–11 h käyttöaika
Koulu, viikoittainen lataus T2 14 h käyttöaika, 173 päivän valmiustila
Pitkä toimitus / varastointi Mikä tahansa + ship mode R32 poistettu varastolla
Kylmävarasto (-10 °C) T2, Y6 18650-kennut sietävät kylmää paremmin

Vinkki ostajalle: Kun arvioit kilpailevan kynän "valmiusaika"-lupausta, kysy sisältyykö lukuun BLE-lähetys ja OID-anturin herätys. Kynä, joka poistaa OID-anturin käytöstä väittääkseen "6 kuukauden valmiusajan", on käyttökelvoton lukukynänä. Meidän lukumme sisältävät aina 1 Hz BLE-lähetyksen ja OID-anturin valmiudessa.

Wake Source Latency (ms)



Aiheeseen liittyvää luettavaa


Pyydä tarjous — saat nopean tehdaspalautteen

Frequently Asked Questions

Mikä on alin deep sleep -virta millä tahansa lukukynä-SKU:lla?
P2 saavuttaa firmware-versiolla 2.0.3 0,18 mA deep sleep -virran, koska vanhempi RTL8710B-piiri ohittaa Wi-Fi-lohkon kokonaan. Kaikkien muiden SKU:iden virta on 0,5–0,6 mA. Ship mode -tilassa (tehtaalla asennettu R32-jumperi poistettuna) virrankulutus on vain 8 µA, mikä mahdollistaa monivuotisen varastoinnin.
Kuinka kauan kynä kestää valmiustilassa yhdellä latauksella?
1 000 mAh Q8-akulla ja 0,5 mA deep sleep -virralla valmiustilakäyttöaika on 2 000 tuntia eli 83 päivää. T2 toimii 2 500 mAh akulla ja 0,6 mA valmiustilavirralla 173 päivää. Pidempää varastointia varten ship mode -tila pudottaa virran 8 µA:han, mikä antaa 14 vuoden säilyvyyden täydellä Q8-akulla.
Mitkä herätyslähteet ovat käytössä deep sleep -tilassa?
Deep sleep -tilassa vain RTC-hälytys, OID-anturin keskeytys ja GPIO (virtapainike, kannen avauskytkin, USB VBUS) voivat herättää SoC:n. BLE-lähetys ja Wi-Fi DTIM ovat pois päältä. Herätyslatency on 8 ms OID:stä, 22 ms painikkeesta, 32 ms RTC:stä ja 90 ms BLE-lähetysslotista.
Mikä on DCDC-muuntimen hyötysuhde aktiivitilassa?
L5, Q8, T2 ja Y6 käyttävät TI TPS62840 DCDC-muunninta, jonka hyötysuhde on 95 %. T2 lisää AXP223-toissijaisen PMU:n, jolloin hyötysuhde nousee 96 %:iin. F8, K7, KF1 ja Q6 käyttävät SY8089-piiriä 92 %:n hyötysuhteella. B1, B2 ja P2 käyttävät lineaarisia LDO-säätimiä 75–78 %:n hyötysuhteella, minkä vuoksi niiden aktiivivirrankulutus on suurin suhteessa akkukapasiteettiin.
Mikä ship mode on ja milloin se kannattaa ottaa käyttöön?
Ship mode -tila poistaa käytöstä pää-DCDC-muuntimen ja eristää akun kaikesta paitsi RTC:stä ja RTC-keskeytyslogiikasta. Tehdas asentaa R32-jumperin (0 Ω SMD-vastus); jakelija poistaa sen pakkauksen aikana. Ship mode -tilan virrankulutus on 8 µA, mikä mahdollistaa monivuotisen säilyvyyden. Ota käyttöön tarjouskilpailuissa, joihin liittyy pitkä toimitusaika, tulliviiveitä tai kausivarastointia.
Ostoskorisi
Sivustomme käyttökokemus paranee evästeiden ansiosta. Evästekäytäntö
Chat on WhatsApp