Mod Tidur Dalam Kuasa Rendah: Memangkas Arus Siap Siar daripada 0.7 mA kepada 0.08 mA

Sasaran Pembaca: Artikel ini menyasarkan jurutera firmware OEM, pereka perkakasan kuasa rendah dan pasukan perolehan yang mesti menyampaikan 30–180 hari siap siar dengan satu cas. Ia menelusuri mesin keadaan tidur dalam, sumber bangun dan kecekapan DCDC pada setiap SKU aktif (B1, B2, F8, K7, KF1, L5, P2, Q6, Q8, T2, Y6), dengan arus siap siar yang diukur pada 23 °C.

Sebuah tender sekolah 4,000 unit di Qatar dihantar pada awal 2025 — tetapi pena itu tersadai di kastam selama 11 minggu kerana lesen import mengalami kelewatan dokumentasi. Apabila akhirnya sampai ke bilik darjah, separuh daripada bateri pen berada pada 0% dan enggan bangun. Punca utamanya ialah pepijat firmware: mesin keadaan tidur dalam pada pena legasi P2 memasuki "tidur separa" yang membiarkan radio Wi-Fi dalam imbasan aktif, menarik 4.6 mA secara berterusan. Selepas 11 minggu × 7 hari × 24 jam × 4.6 mA, bateri 500 mAh menjadi kosong.

Pembaikannya ialah firmware 2.0.3 pada P2, yang memaksa BK3254 masuk ke tidur dalam dan melumpuhkan imbasan Wi-Fi melainkan dibangunkannya secara jelas. Siap siar turun daripada 0.7 mA kepada 0.18 mA pada P2, memberikan 115 hari siap siar di rak. Seni bina firmware yang sama digunakan pada kesemua 11 SKU, tetapi matriks sumber bangun berbeza.

Artikel ini ialah rujukan reka bentuk kuasa rendah yang kami serahkan kepada rakan kongsi OEM semasa NPI. Ia berdasarkan ukuran kilang, bukan teori.

1. Mesin Keadaan Tidur Dalam

Pena bacaan moden mempunyai empat keadaan kuasa, disusun mengikut penggunaan arus:

• Aktif — SoC penuh pada 240 MHz, semua persisian hidup. ~80 mA.
• Siar — CPU dihentikan, persisian dijaga tara jam. ~12 mA.
• Tidur Ringan — CPU mati, RTC + RAM dikekalkan, jam perlahan. Selepas 11 minggu × 7 hari × 24 jam × 4.6 mA, bateri 500 mAh menjadi kosong.berjalan. ~1.2 mA.
• Tidur Dalam — kebanyakan persisian mati, RTC berjalan, bangun GPIO enabled, pengekalan RAM sahaja. ~0.08–0.7 mA bergantung pada SKU.

Transisi ini dikawal oleh PMU (Unit Pengurusan Kuasa). Pada BK7251 / BK7252 (F8, K7, KF1, Q8, T2) PMU disepadukan ke dalam SoC. Pada Realtek RTL8723DS (L5, Y6) dan RTL8710B (P2) PMU ialah AXP223 atau SY8089 luaran. Pada Actions ATW1531 (B1, B2, Q6) PMU adalah dalaman.

Sumber bangun adalah seperti berikut:

• Penggera RTC — peristiwa takwim, pemasa berkala.
• Gangguan penderia OID — LED-IR + fotodiod mengesan kod bercetak.
• GPIO — tekan butang, palam USB, suis penutup dibuka.
• — BLE advertisingIklan-aktiviti BLE
• — jadual tetap, bukan dipacu gangguan.— suar dengar, setiap 100 ms × DTIM.

Dalam tidur nyenyak hanya RTC, penderia OID dan GPIO boleh membangunkan SoC. BLE dan Wi-Fi dimatikan. Masa bangun daripada tidur nyenyak ke aktif adalah 18–45 ms bergantung pada SKU.

2. Arus Siap Sedia Mengikut SKU

2. Arus Siap Siar SKU demi SKU

P2 dengan firmware 2.0.3 turun kepada 0.18 mA — lebih baik daripada semua SKU lain — kerana silikon RTL8710B warisan mempunyai mod tidur dalam perkakasan sahaja yang memintas blok Wi-Fi sepenuhnya. Pada firmware sebelum 2.0.3, P2 ialah 0.7 mA, maka kegagalan kastam selama 11 minggu itu.

3. Keutamaan Sumber Bangun dan Latensi

Keutamaan sumber bangun menentukan UX. Sebatang pen yang bangun melalui penderia OID terasa serta-merta; sebatang pen yang bangun melalui RTC sahaja terasa tidak responsif.

Pengesan bangun penderia OID ialah laluan dominan — kanak-kanak menghalakan pen ke kod bercetak dan mengharapkan audio serta-merta. Pengewapan 8 ms ditentukan oleh masa naik penguat fotodiod serta permulaan semula jam MCU. Pada K7 dan KF1, kami menambah penapis lulus rendah perkakasan pada input penderia OID yang mengurangkan bangun palsu sebanyak 78% (menjimatkan ~2.3 mAh/hari di dalam kelas).

4. Kecekapan PMU dan DCDC

Penukar DCDC ialah pengguna kuasa kedua terbesar dalam mod aktif dan penyumbang penting dalam tidur nyenyak. Pilihan PMU lalai kami:

TPS62840 (TI) dan AXP223 (X-Powers) ialah pilihan kecekapan tinggi. L5, Q8, T2, Y6 menggunakannya; model legasi B1, B2, P2 menggunakan LDO linear. Delta BOM ialah $0.28–$0.46 seunit, yang boleh diperoleh semula dalam bulan pertama penggunaan di sekolah melalui hayat bateri yang lebih panjang.

5. Wake GPIO dan Debouncing

Butang kuasa pada setiap SKU menggunakan wake GPIO dengan debounce RC perkakasan (10 kΩ + 100 nF, pemalar masa 1 ms). Firmware menambah debounce perisian 30 ms untuk menindas pickup sesalur 50 Hz dan tekan tidak sengaja.

Tanpa debounce, pen di sekolah yang duduk di atas cradle pengecasan akan wake pada setiap lonjakan sesalur, menarik 80 mA aktif selama 26 ms. Pada 50 Hz, itu bermakna 1.3 peristiwa wake sesaat × 12 jam = 56,000 wake sehari, menggunakan 28 mAh. Debounce mengurangkan ini kepada ~50 wake palsu sehari.

6. Drift RTC dan Penyenggaraan Kalendar

RTC pada BK7251 / BK7252 / RTL8723DS / RTL8710B / ATW1531 disumber daripada kristal 32.768 kHz. Drift yang kami ukur dalam tempoh 30 hari pada 23 °C ialah ±18 saat. Dalam julat suhu operasi -10 °C hingga +60 °C, drift ialah ±45 saat sehari dalam kes terburuk.

Untuk program sekolah yang memerlukan telemetri penggunaan dengan setem masa, pen menyegerakkan semula masa pada setiap sambungan Wi-Fi menggunakan SNTP. Tinjauan SNTP adalah sebahagian daripada penyegerakan awan (lihat TC-044 IoT MQTT vs HTTP vs CoAP). Drift terkumpul hanya semasa gangguan Wi-Fi yang panjang; dalam penggunaan sekolah biasa, drift setem masa ialah <2 saat.

7. Pengoptimuman Wake Sensor OID

Sensor OID ialah sumber wake yang paling penting. Ia juga peluang terbesar untuk penjimatan kuasa kerana kanak-kanak mungkin mengetuk pen 200+ kali sehari.

Sensor terdiri daripada:

• LED IR (VSMY2850G, 850 nm, puncak 100 mA).
• Fotodiod (BPW34).
• Penguat transimpedans (TLV2379).

Dalam tidur dalam, LED IR dimatikan dan fotodiod dipincang pada sifar. Penguat berada dalam keadaan kuasa rendah dengan arus rehat 1.5 µA. GPIO MCU memantau output penguat melalui gangguan pembanding. Apabila kanak-kanak menghalakan pen ke kod, IR terpantul meningkatkan arus fotodiod; pembanding aktif dan membangunkan MCU.

Latensi wake-ke-audio ialah 8 ms diukur hujung-ke-hujung. Wake palsu (lonjakan cahaya ambien rawak) berlaku 4–12 kali sehari pada pen sekolah. Firmware menapis wake palsu dengan memerlukan dua tembakan pembanding berturut-turut dalam 50 ms.

8. Keputusan Tidur Ringan vs Tidur Dalam

Tidur ringan mengekalkan RAM penuh dan boleh wake dalam 1 ms. Tidur dalam kehilangan RAM (ditahan dalam RAM pengekalan 4 KB sahaja) dan wake dalam 25–45 ms. Kebanyakan pen memilih tidur dalam kerana:

1. Pengekalan RAM berharga 1.2 mA berbanding 0.08 mA dalam tidur dalam.
2. Kebanyakan peristiwa wake adalah RTC, OID atau butang — tiada yang memerlukan keadaan RAM penuh.
3. Latensi wake 25–45 ms boleh diterima untuk laluan OID, butang dan buka tudung.

Pengecualian ialah pengiklanan BLE — untuk mengekalkan sambungan, SoC mesti bertindak balas dalam 100 ms. Kami menggunakan tidur ringan untuk pen bersambung BLE dan tidur dalam untuk pen terputus BLE. Firmware bertukar secara automatik.

9. Contoh Belanjawan Kuasa — Q8

Pen Q8 di rak sekolah selama 90 hari (cuti musim panas):

• 90 hari × 24 j × 0.5 mA = 1,080 mAh.

Tetapi Q8 mempunyai bateri 1,000 mAh. Pen itu tidak bertahan 90 hari tidur dalam — ia akan berada pada 0% pada Hari ke-83.

Pembetulannya ialah pelompat mod penghantaran:

• Mod penghantaran menarik 8 µA (hanya RTC + logik gangguan RTC).
• Tekanan butang atau pemasangan USB keluar daripada mod penghantaran.
• 1,000 mAh / 8 µA = 125,000 jam = 14 tahun hayat rak.

Pelompat mod penghantaran ialah perintang SMD kecil (R32, 0 Ω) yang dipasang oleh kilang dan dibuang oleh pengedar semasa pembungkusan. Membuangnya melumpuhkan DCDC utama dan mengasingkan bateri daripada semua kecuali RTC.

Untuk tender yang termasuk penghantaran atau penyimpanan lama, kami mendayakan mod penghantaran secara lalai. Pengedar membuka R32 di gudang sebelum penghantaran.

11. Permodelan Kuasa dalam Gelung Ujian Kilang

Pen bacaan yang dihantar dari kilang telah disahkan terhadap model kuasa dalam CI firmware. Model meramalkan arus tidur dalam berdasarkan SKU, versi firmware, usia bateri dan suhu ambien. Kami menguji setiap binaan pengeluaran terhadap model pada sampel 1%; jika arus yang diukur melebihi model lebih daripada 15%, binaan ditahan untuk semakan.

Model ini ialah skrip Python power_model.py yang dihantar dengan setiap keluaran firmware. Pengimport dan ODM boleh menjalankannya terhadap binaan firmware mereka sendiri untuk meramalkan arus siap sedia sebelum ICT. Pekali model didokumentasikan dalam halaman kami Pengurusan Kuasa dan Pengoptimuman Masa Jalan.

12. Gambar Rajah Keadaan Kuasa untuk Rujukan OEM

Gambar rajah keadaan kuasa penuh untuk Q8 dan T2 diterbitkan dalam Rujukan Pengurusan Kuasa kami. Keadaan dan peralihan:

• Boot (320 mA puncak, 1.8 saat) → Aktif
• Aktif (80 mA) → Idle (CPU dihentikan)
• Idle (12 mA) → Light Sleep (peranti luar dimatikan, RAM dikekalkan)
• Light Sleep (1.4 mA) → Deep Sleep (RAM dikekalkan kepada pengekalan 4 KB sahaja)
• Deep Sleep (0.5 mA) → Mod Penghantaran (8 µA, R32 ditanggalkan)

Peralihan songsang dikawal oleh keutamaan sumber bangun. Penderia OID, penggera RTC, dan gangguan GPIO boleh bangun daripada mana-mana keadaan termasuk mod penghantaran. Pengiklanan BLE dan DTIM Wi-Fi hanya boleh bangun daripada light sleep, bukan deep sleep.

Kos peralihan (tenaga untuk memasuki dan keluar setiap keadaan) adalah seperti berikut:

• Aktif ↔ Idle: 0.04 mJ
• Idle ↔ Light Sleep: 0.18 mJ
• Light Sleep ↔ Deep Sleep: 0.62 mJ
• Deep Sleep ↔ Mod Penghantaran: 1.40 mJ (hanya melalui perintah kilang)

Pekali model dan pelaksanaan rujukan Python dibekalkan bersama setiap keluaran firmware.

Tip untuk pembeli: Apabila menilai dakwaan "masa siap sedia" pena pesaing, tanya sama ada angka itu termasuk pengiklanan BLE dan penderia OID. Pena yang melumpuhkan penderia OID untuk mendakwa "siap sedia 6 bulan" tidak boleh digunakan sebagai pena pembaca. Angka kami sentiasa termasuk pengiklanan BLE 1 Hz dan penderia OID bersedia.

Bacaan Berkaitan

• Ujian Penggunaan Kuasa dan Masa Jalan
• Pengurusan Kuasa dan Pengoptimuman Masa Jalan
• Pengecasan Type-C PD QC dan BC1.2
• Panduan Bateri
• Program Penggantian Bateri
• Piawaian Ujian Penuaan