)
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.
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:
- RAM-muistin säilyttäminen kuluttaa 1,2 mA vs 0,08 mA syvässä lepotilassa.
- Useimmat herätystapahtumat ovat RTC, OID tai painike — mikään niistä ei tarvitse koko RAM-tilaa.
- 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.
Aiheeseen liittyvää luettavaa
- Virrankulutus ja käyttöaikatesti
- Virranhallinta ja käyttöajan optimointi
- Type-C-lataus PD QC ja BC1.2
- Akkujen opas
- Akun vaihto-ohjelma
- Vanhenemistestien standardit