)
Okuma Kalemi Düşük Güç Derin Uyku Modu: Bekleme Akımını 0,7 mA'dan 0,08 mA'ya Düşürme
Hedef Kitle: Bu makale, tek şarjla 30–180 gün bekleme süresi sunmak zorunda olan OEM firmware mühendislerini, düşük güçlü donanım tasarımcılarını ve satın alma ekiplerini hedefler. Derin uyku durum makinesini, uyandırma kaynaklarını ve her aktif SKU'daki (B1, B2, F8, K7, KF1, L5, P2, Q6, Q8, T2, Y6) DCDC verimliliğini, 23 °C'de ölçülen bekleme akımıyla birlikte ele alır.
2025'in başında Katar'da 4.000 adetlik bir okul ihalesi sevkiyatı yapıldı — ancak ithalat lisansındaki evrak gecikmesi nedeniyle kalemler 11 hafta gümrükte kaldı. Sınıfa ulaştıklarında kalemlerin yarısı %0 pil seviyesindeydi ve uyanmayı reddetti. Kök neden bir firmware hatasıydı: P2 eski kalemlerindeki derin uyku durum makinesi, Wi-Fi radyosunu aktif taramada bırakarak sürekli 4,6 mA çeken bir "kısmi uyku" durumuna giriyordu. 11 hafta × 7 gün × 24 saat × 4,6 mA sonrasında 500 mAh pil tamamen boşaldı.
Çözüm, P2'deki firmware 2.0.3 oldu; bu sürüm BK3254'ü derin uykuya zorlar ve açıkça uyandırılmadıkça Wi-Fi taramasını devre dışı bırakır. P2'de bekleme akımı 0,7 mA'dan 0,18 mA'ya düştü ve 115 gün raf bekleme süresi sağlandı. Aynı firmware mimarisi 11 SKU'nun tümü için geçerlidir, ancak uyandırma kaynağı matrisi farklılık gösterir.
Bu makale, NPI sırasında OEM ortaklarımıza verdiğimiz düşük güç tasarım referansıdır. Teorik değil, fabrika ölçümlerine dayanmaktadır.
1. Derin Uyku Durum Makinesi
Modern bir okuma kalemi, akım tüketimine göre sıralanmış dört güç durumuna sahiptir:
- Aktif — tam SoC 240 MHz'de, tüm çevre birimleri açık. ~80 mA.
- Boşta (Idle) — CPU durdurulmuş, çevre birimleri saat kapılı. ~12 mA.
- Hafif Uyku (Light Sleep) — CPU kapalı, RTC + RAM korunuyor, yavaş saat çalışıyor. ~1,2 mA.
- Derin Uyku (Deep Sleep) — çoğu çevre birimi kapalı, RTC çalışıyor, GPIO uyandırma etkin, yalnızca koruma RAM'i. SKU'ya bağlı olarak ~0,08–0,7 mA.
Geçişleri PMU (Güç Yönetimi Birimi) yönetir. BK7251 / BK7252 (F8, K7, KF1, Q8, T2) üzerinde PMU SoC'a entegre edilmiştir. Realtek RTL8723DS (L5, Y6) ve RTL8710B (P2) üzerinde PMU harici bir AXP223 veya SY8089'dur. Actions ATW1531 (B1, B2, Q6) üzerinde PMU dahilidir.
Uyandırma kaynakları şunlardır:
- RTC alarmı — takvim olayı, periyodik zamanlayıcı.
- OID sensör kesmesi — IR-LED + fotodiyot basılı bir kodu algılar.
- GPIO — düğmeye basma, USB takma, kapak-açma anahtarı.
- BLE reklamı — sabit zamanlama, kesme odaklı değil.
- Wi-Fi DTIM — beacon dinleme, her 100 ms × DTIM.
Derin uyku durumunda yalnızca RTC, OID sensor ve GPIO SoC'u uyandırabilir. BLE ve Wi-Fi kapatılır. SKU'ya bağlı olarak derin uyku durumdan aktif duruma uyanma süresi 18–45 ms'dir.
2. SKU Bazında Bekleme Akımı
23 °C, %50 bağıl nem, tam şarjlı pil ve kalemin 30 dakika boyunca boşta kalması koşullarında ölçülmüştür:
| Model | Aktif (mA) | Boşta (mA) | Hafif Uyku (mA) | Derin Uyku (mA) | Uyanma Süresi (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, firmware 2.0.3 ile 0,18 mA'ya düşer — diğer tüm SKU'lardan daha iyi — çünkü eski RTL8710B silikonunda Wi-Fi bloğunu tamamen devre dışı bırakan donanım tabanlı bir derin uyku modu bulunur. 2.0.3 öncesi firmware'de P2 0,7 mA idi; bu yüzden 11 haftalık gümrük başarısızlığı yaşandı.
3. Uyandırma Kaynağı Önceliği ve Gecikme
Uyandırma kaynağı önceliği kullanıcı deneyimini belirler. OID sensör kesintisiyle uyanan kalem anında tepki verir; yalnızca RTC ile uyanan kalem ise ölü gibi hissettirir.
| Uyandırma Kaynağı | Gecikme (ms) | Uyanma Başına Enerji (mAs) | Öncelik |
|---|---|---|---|
| OID sensör kesintisi | 8 | 0.4 | 1 (en yüksek) |
| Güç düğmesi | 22 | 0.9 | 2 |
| Kapak açma anahtarı (KF1, L5, Q8, T2, Y6) | 28 | 1.2 | 3 |
| RTC alarmı | 32 | 1.4 | 4 |
| USB VBUS bağlantısı | 18 | 0.8 | 5 |
| BLE reklam slotu | 90 | 4.6 | 6 (en düşük) |
OID sensörü uyanması baskın yoldur — çocuk kalemi basılı bir koda doğrulttuğunda anında ses bekler. 8 ms gecikme, fotodiod amplifikatörünün yükselme süresi ile MCU saat yeniden başlatması tarafından belirlenir. K7 ve KF1'de OID sensörü girişine eklediğimiz donanımsal alçak geçiren filtre, yanlış uyanmaları %78 azaltır (sınıf ortamında günde ~2,3 mAh tasarruf sağlar).
4. PMU ve DCDC Verimliliği
DCDC dönüştürücü, aktif modda ikinci en büyük güç tüketicisidir ve derin uykuda da anlamlı bir katkıda bulunur. Varsayılan PMU tercihlerimiz:
| Model | PMU | Aktif Verimlilik | Derin Uyku Durgun Akımı | BOM Maliyeti |
|---|---|---|---|---|
| B1, B2 | Dahili LDO | %78 (lineer) | 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 (lineer) | 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) ve AXP223 (X-Powers) yüksek verimli seçeneklerdir. L5, Q8, T2, Y6 bunları kullanır; eski tip B1, B2, P2 ise lineer LDO kullanır. BOM farkı birim başına 0,28–0,46 $ olup bu fark, daha uzun pil ömrü sayesinde okulda kullanıma başlanmasından sonraki ilk ay içinde telafi edilir.
5. GPIO Uyanması ve Debounce
Her SKU’daki güç düğmesi, donanımsal RC debounce (10 kΩ + 100 nF, 1 ms zaman sabiti) ile GPIO uyandırması kullanır. Firmware, 50 Hz şebeke parazitini ve yanlışlıkla basılmaları bastırmak için 30 ms’lik yazılımsal debounce ekler.
Debounce olmadan, şarj yuvasında duran bir okul kalemi her şebeke pikinde uyanır ve 26 ms boyunca 80 mA aktif çeker. 50 Hz’de bu, saniyede 1,3 uyanma olayı × 12 saat = günde 56.000 uyanma demektir ve 28 mAh tüketir. Debounce, bunu günde yaklaşık 50 yanlış uyanmaya düşürür.
6. RTC Sapması ve Takvim Bakımı
BK7251 / BK7252 / RTL8723DS / RTL8710B / ATW1531 üzerindeki RTC, 32,768 kHz kristalden beslenir. 23 °C’de 30 gün boyunca ölçtüğümüz sapma ±18 saniye değerindedir. -10 °C ile +60 °C arasındaki çalışma sıcaklık aralığında sapma en kötü durumda günde ±45 saniye değerine ulaşır.
Zaman damgalı kullanım telemetrisi gerektiren okul programları için kalem, her Wi-Fi bağlantısında SNTP ile saati yeniden senkronize eder. SNTP sorgusu bulut senkronizasyonunun bir parçasıdır (bkz. TC-044 IoT MQTT vs HTTP vs CoAP). Sapma yalnızca uzun süreli Wi-Fi kesintileri sırasında birikir; normal okul kullanımında zaman damgası sapması 2 saniyenin altındadır.
7. OID Sensörü Uyanma Optimizasyonu
OID sensörü en önemli uyanma kaynağıdır. Ayrıca bir çocuğun kalemi günde 200’den fazla kez dokunabileceği düşünüldüğünde güç tasarrufu için en büyük fırsattır.
Sensör şunlardan oluşur:
- IR LED (VSMY2850G, 850 nm, 100 mA tepe).
- Fotodiyot (BPW34).
- Transempedans amplifikatörü (TLV2379).
Derin uykuda IR LED kapalıdır ve fotodiyot sıfır gerilimle kutuplandırılmıştır. Amplifikatör, 1,5 µA bekleme akımıyla düşük güç durumundadır. MCU GPIO’su, amplifikatör çıkışını bir komparatör kesmesi ile izler. Çocuk kalemi bir koda doğrulttuğunda yansıyan IR, fotodiyot akımını artırır; komparatör tetiklenir ve MCU’yu uyandırır.
Uyanmadan ses başlangıcına kadar geçen süre uçtan uca 8 ms olarak ölçülmüştür. Yanlış bir uyanma (rastgele ortam ışığı piki), bir okul kaleminde günde 4–12 kez gerçekleşir. Firmware, yanlış uyanmaları 50 ms içinde art arda iki komparatör tetiklenmesi.
koşulunu arayarak filtreler.
Hafif uyku tüm RAM'i korur ve 1 ms içinde uyanabilir. Derin uyku ise RAM'i kaybeder (yalnızca 4 KB'lik tutma RAM'inde saklanır) ve 25–45 ms içinde uyanır. Kalemlerin çoğu derin uykuyu şu nedenlerle tercih eder:
- Hafif uyku tüm RAM’i korur ve 1 ms’de uyanabilir. Derin uyku RAM’i kaybeder (yalnızca 4 KB tutma RAM’inde korunur) ve 25–45 ms’de uyanır. Çoğu kalem aşağıdaki nedenlerle derin uykuyu tercih eder:
- RAM tutma, derin uykudaki 0,08 mA’ye karşılık 1,2 mA harcar.
- Çoğu uyanma olayı RTC, OID veya düğmedir — hiçbiri tam RAM durumuna ihtiyaç duymaz.
25–45 ms’lik uyanma gecikmesi OID, düğme ve kapak açma yolları için kabul edilebilir düzeydedir.İstisna BLE yayınıdır — bağlantıyı sürdürmek için SoC’nin 100 ms içinde yanıt vermesi gerekir. BLE bağlı kalemler için hafif uyku, BLE bağlantısı kesik kalemler için ise BLE bağlantısı kesilmiş kalemler için. Ürün yazılımı otomatik olarak geçiş yapar.
kullanıyoruz. Firmware otomatik olarak geçiş yapar.
9. Güç Bütçesi Örneği — Q8
- Bir Q8 kalemi 90 gün boyunca (yaz tatili) okul rafında duruyor:
90 gün × 24 saat × 0,5 mA = 1.080 mAh.korunmaz90 günlük derin uyku boyunca dayanmaz — 83. günde %0 olurdu.
— 83. günde %0’a ulaşır.Çözüm gemi modu
- Gemi modu yalnızca 8 µA çeker (yalnızca RTC + RTC kesme mantığı).
- Gemi modu yalnızca 8 µA çeker (sadece RTC + RTC kesme mantığı).
- Bir düğmeye basıldığında veya USB takıldığında gemi modundan çıkılır.
Gemi modu atlama teli, fabrikada takılan ve distribütörün paketleme sırasında çıkardığı küçük bir SMD dirençtir (R32, 0 Ω). Çıkarıldığında ana DCDC devre dışı kalır ve pil, RTC dışında her şeyden yalıtılır.
Uzun nakliye veya depolama süreleri içeren ihalelerde, gemi modunu varsayılan olarak etkinleştiriyoruz. Distribütör, teslimattan önce R32'yi deposunda çevirir.
Uzun süreli nakliye veya depolama içeren ihaleler için gemi modunu varsayılan olarak etkinleştiriyoruz. Distribütör, teslimattan önce depoda R32’yi söker.
Fabrikadan gönderilen bir okuma kalemi, ürün yazılımı CI sürecinde bir güç modeline karşı doğrulanmıştır. Model, SKU, ürün yazılımı sürümü, pil yaşı ve ortam sıcaklığına göre derin uyku akımını tahmin eder. Her üretim yapısını bu modele karşı %1'lik bir numune üzerinde test ederiz; ölçülen akım modelin tahminini %15'ten fazla aşarsa, yapı incelenmek üzere bekletilir.
Model bir Python betiğidir power_model.pyve her ürün yazılımı sürümüyle birlikte gönderilir. İthalatçılar ve ODM'ler, ICT öncesinde bekleme akımını tahmin etmek için kendi ürün yazılımı yapılarında çalıştırabilirler. Model katsayıları dosyasıdır. İthalatçılar ve ODM’ler, ICT öncesinde bekleme akımını tahmin etmek için kendi firmware build’lerine karşı çalıştırabilirler. Model katsayıları Güç Yönetimi ve Çalışma Süresi Optimizasyonu
12. OEM Referansı için Güç Durumu Diyagramı
Q8 ve T2 için tam güç durumu diyagramımız yayınlandı: Güç Yönetimi Referansı. Durumlar ve geçişler:
- Önyükleme (320 mA tepe, 1,8 s) → Aktif
- Aktif (80 mA) → Boşta (CPU durduruldu)
- Boşta (12 mA) → Hafif Uyku (çevre birimleri kapalı, RAM korunuyor)
- Hafif Uyku (1,4 mA) → Derin Uyku (RAM korunması yalnızca 4 KB koruma alanına düşürülür)
- Derin Uyku (0,5 mA) → Sevkiyat Modu (8 µA, R32 çıkarıldı)
Ters geçişler, uyandırma kaynağı önceliğine göre denetlenir. OID sensörü, RTC alarmı ve GPIO kesmeleri, sevkiyat modu dahil her durumdan uyandırabilir. BLE reklamı ve Wi-Fi DTIM yalnızca hafif uykudan uyandırabilir, derin uykudan uyandıramaz.
Geçiş maliyetleri (her duruma girip çıkmak için gereken enerji):
- Aktif ↔ Boşta: 0,04 mJ
- Boşta ↔ Hafif Uyku: 0,18 mJ
- Hafif Uyku ↔ Derin Uyku: 0,62 mJ
- Derin Uyku ↔ Sevkiyat Modu: 1,40 mJ (yalnızca fabrika komutuyla)
Model katsayıları ve bir Python referans uygulaması her firmware sürümüyle birlikte gelir.
| Kullanım Senaryosu | Önerilen SKU | Notlar |
|---|---|---|
| Günlük şarj edilen sürekli açık ev kullanımı | B2, Q6, Q8 | 0,5–0,6 mA bekleme uygundur |
| Okul günlük şarj | L5, Y6 | 0,55 mA bekleme, 8,5–11 saat çalışma süresi |
| Okul haftalık şarj | T2 | 14 saat çalışma süresi, 173 gün bekleme |
| Uzun süreli nakliye / depolama | Herhangi biri + sevkiyat modu | R32 depoda çıkarılır |
| Soğuk depolama (-10 °C) | T2, Y6 | 18650 hücreler soğuğa daha iyi dayanır |
Alıcı tavsiyesi: Rakip bir kalemin "bekleme süresi" iddiasını değerlendirirken, rakamın BLE reklamını ve OID sensörü uyandırmasını içerip içermediğini sorun. OID sensörünü devre dışı bırakarak "6 ay bekleme" iddia eden bir kalem, okuma kalemi olarak kullanılamaz. Bizim rakamlarımız her zaman 1 Hz BLE reklamını ve OID sensörünün etkin olduğunu içerir.
İlgili Okuma
- Güç Tüketimi ve Çalışma Süresi Testi
- Güç Yönetimi ve Çalışma Süresi Optimizasyonu
- Type-C Şarj PD QC ve BC1.2
- Pil Rehberi
- Pil Değiştirme Programı
- Yaşlandırma Test Standartları