STM32WB BLE 应用低功耗设计

发表于 2021-12-29 20:11

前言
功耗是物联网应用当中非常关键的因素，在开发的早期都会对功耗进行评估和测试。那么，如何
使用 ST 提供的工具对动态功耗进行测量呢？针对 BLE 应用应当如何进行低功耗的设计呢？本篇
跟大家一起聊聊该话题。

发表于 2021-12-29 20:13

测量工具
在本文中使用 CubeMonitor-Power + Power Shield 的组合工具对 STM32Nucleo 开发板的动态功
耗进行测量。
CubeMonitor-Power 是 ST 提供的上位机软件，主要帮助用户动态的测量功耗。用户可以设定采
样频率，采样时间，输入电压等。其界面如下：

X-NUCLEO-LPM01A 是 ST 提供的一块功耗测量的评估板，它可以配合 CubeMonitor-Power 上
位机软件，对目标板的动态功耗进行测量，方便开发者对功耗进行评估。其特性如下：
• 可编程电压源范围:1.8v~3.3v
• 静态测量
•
电流范围：1nA~200mA

• 动态测量：
•
电流范围：100nA~50mA
• 100KHz 带宽，3.2Msps 采样率
• 功耗测量范围：180nW~165mW

X-NUCLEO-LPM01A 与 STM32WB Nucleo 板的连接如下所示，完成连接后就可以通过上位机控
制和测量 Nucleo 的功耗了。

低功耗模式

不同低功耗模式的区别主要如下：

STM32WB 支持的低功耗模式非常多，首先需要根据应用情况选择一个适合的低功耗模式，能保
持 BLE 连接的低功耗模式主要有 Sleep 和 STOP，所以选择 Sleep 模式和 STOP2 模式进行测量
后结果如下：

图中红色脉冲代表的是设备的周期性广播，从测试结果来看 STOP2 模式比 Sleep 模式功耗低很
多，所以应用在不在乎唤醒时间的情况下，应当尽可能进入 Stop2 模式。

发表于 2021-12-29 20:14

SMPS
LDO 是一种线性电源，它的优势在于结构简单，电流纹波比较低，但电源效率偏低。
SMPS 是一种开关电源，它的优势在于电源效率高，损耗小，但由于频率较高会对周围设备造成
一定的干扰，需要注意。

通过修改 Nucleo 板子上的 SB31 可以控制 LDO 还是 SMPS 供电：
SB31 打开：SMPS 打开
SB31 关闭：SMPS 关闭
软件侧，打开 SMPS，修改 app_conf.h 代码如下：
#define CFG_USE_SMPS 1
功耗测量结果如下：

关闭 SMPS，使用 LDO，修改 app_conf.h 代码：
#define CFG_USE_SMPS 0
功耗测量结果如下：

从以上图片可以看出，使用 SMPS 无论是平均电流还是低功耗状态下的电流都要更小，所以应当
尽可能使用 SMPS。

发表于 2021-12-29 20:15

广播参数
使用 BLE_HeartRate Demo 不需要做任何修改就可以测试不同的广播参数，该 demo 默认会先
进行一段时间快速广播，然后再进入慢速广播。

从图中可以看出，广播间隔不同，平均功耗不同。
左侧图片的广播间隔为 80ms~100ms，平均电流为 282.914 uA。右侧图片的广播间隔为
1s~2.5s，平均电流为 16.443 uA。
可以看出广播间隔的长短对功耗影响很大，所以在设计 BLE 应用的时候，应当考虑适当降低广
播间隔。
为了保证尽快被对方设备发现，可以如 ST 心率 Demo 中的做法类似，首先先进入一段时间的快
速广播，然后使用慢速广播，这样既可以保证开机时被发现的速度，又可以降低平均功耗。

发表于 2021-12-29 20:17

连接参数
测试修改连接参数，可以使用 ST 提供的 P2P Demo。注意：只有主机才能修改连接参数。

通过 Button SW2 按键，切换并测试不同的连接参数，代码修改如下图：
打开 Button SW2 的中断：

关闭 trace 后，可以使能低功耗：

连接 dongle 后，按下 Button 后，切换不同的连接参数：

功耗测量结果如下：

由于 BLE 在没有数据传输时，也会发送空包，所以降低连接间隔，可以降低平均功耗。
如图所示，左边是使用 125ms 连接间隔测试的结果，右边是使用 1250ms 连接间隔的测试结
果，左边比右边的平均电流要高近 140uA。所以在应用中可以根据具体的应用使用合适的连接间
隔来降低平均功耗。

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