Eğer pil ile çalışan giyilebilir cihazlar, sensörler veya akıllı ev uç noktaları geliştiriyorsanız, “bu bir madeni pil ile kaç yıl çalışır?” genellikle ilk gerçek tasarım sorusudur — “CPU ne kadar hızlı?” değil. Nordic Semiconductor’ın en yeni SoC’si, nRF54LM20A, tam olarak bu soru göz önünde bulundurularak tasarlandı.
Bu yazıda, nRF54LM20A’nın düşük güç performansını iki açıdan inceleyeceğiz: en yakın kardeşleri nRF54L15 ve daha eski nRF52840 ile kağıt üzerinde nasıl karşılaştırıldığı ve — daha önemlisi — gerçek bir lityum hücrede bir hafta boyunca nRF54LM20A tabanlı bir MCU çalıştırdığımızda kendi PPK2 tabanlı pil testlerimizin ne gösterdiği.
nRF54LM20A’yı Farklı Kılan Nedir?
nRF54LM20A, Nordic’in nRF54L Serisi’nin en büyük bellekli üyesidir ve eski nRF52 Serisi‘ne göre daha fazla hesaplama alanı sağlarken uyku akımını azaltmak için özel olarak 22 nm düşük kaçak süreçte inşa edilmiştir. 128 MHz Arm Cortex-M33 ile, ana çekirdeği uyandırmadan basit çevresel görevleri yerine getirebilen bir RISC-V yardımcı işlemciyi birleştirir — bu, gerçek uygulamalarda ortalama akımı bu kadar düşük tutmanın büyük bir parçasıdır.
nRF54LM20A vs nRF54L15 vs nRF52840: teknik karşılaştırma
| nRF54LM20A | nRF54L15 | nRF52840 | |
|---|---|---|---|
| CPU | 128 MHz Cortex-M33 | 128 MHz Cortex-M33 | 64 MHz Cortex-M4F |
| Koprocesör | RISC-V (FLPR) | RISC-V (FLPR) | / |
| NVM / RAM | 2 MB / 512 KB | 1.5 MB / 256 KB | 1 MB / 256 KB |
| GPIO | 66’ya kadar | 42’ye kadar | 48’e kadar |
| Üretim düğümü | 22 nm düşük kaçak | 22 nm düşük kaçak | 40 nm |
| Sistem OFF akımı | 0.7 µA / GRTC uyanma ile 1.0 µA | ~0.7–0.9 µA (GRTC uyanma) | 0.4 µA (RAM tutma yok) |
| Sistem ON boşta | 4.3 µA (512 KB RAM + GRTC) | ~1.5 µA | ~1–3 µA |
| BLE versiyonu | Bluetooth 6.0, Kanal Seslendirme | Bluetooth 6.0, Kanal Seslendirme | Bluetooth 5 |
| Yüksek hızlı USB | EVET | HAYIR | HAYIR |
| Protokoller | BLE, Matter, Thread, Zigbee, Wi-Fi üzerinden nRF70 | BLE, Matter, Thread, Zigbee | BLE, 802.15.4, ANT |
Burada birkaç şey öne çıkıyor. Öncelikle, kağıt üzerindeki ham Sistem OFF akımı aslında tüm nRF54L ailesi boyunca benzer görünüyor ve en sade modunda eski nRF52840’a bile yakın — ancak o nRF52840 sayısı, çoğu gerçek uygulamanın karşılayamayacağı şekilde RAM tutma özelliğinden tamamen vazgeçmeyi gerektiriyor. RAM tutulduğunda, nRF52840 yaklaşık 1.9 µA’ya yükselirken, nRF54LM20A tam 512 KB RAM tutuyor ve yine de sub-µA ile düşük tek haneli µA akımında uyuyor.
İkincisi, nRF54LM20A nRF54L ailesindeki “en büyük” çip: daha fazla flash, daha fazla RAM, daha fazla GPIO ve yüksek hızlı USB’ye sahip tek üye — eğer düşük güçlü ürününüz hala hızlı firmware güncellemeleri veya geliştirme sırasında ses/IMU akışı gerektiriyorsa faydalıdır. Tasarımınız LM20A’nın ekstra bellek veya pin sayısına ihtiyaç duyuyorsa ancak daha yüksek fiyat veya karmaşıklığı istemiyorsanız, nRF54L15 aynı düşük güçlü ailede daha ince bir seçenek olarak kalır ve nRF52840, mevcut Bluetooth 5 kodunu yeniden taşımak istemeyen ekipler için hala geçerlidir.
“`
Gerçek Soru: Tamamlanmış Bir Üründe Gerçekten Ne Çizer?
Veri sayfası numaraları, silikonun izole bir şekilde tanımını yapar. Geliştiricilerin gerçekten bilmesi gereken şey, bir PMIC, harici flaş, sensörler ve gerçek bir firmware uyku/uyanma döngüsü devreye girdiğinde sistem düzeyindeki akımdır. Bu nedenle, tam olarak bu testi gerçekleştirmek için bir XIAO nRF54LM20A Sense kullandık.
Seeed Studio XIAO nRF54LM20A (Seri) üzerinde, SoC’yi Nordic’in nPM1300 PMIC’si ile eşleştirdik ve Nordic’in referans EVB güç tasarımını yakından takip ettik, bu nedenle aşağıdaki ölçülen değerler, birçok üçüncü taraf kartın yaptığı gibi sapma göstermeden Nordic’in kendi veri sayfası rakamlarına yakın bir şekilde takip ediyor.
İlk deneme: çok günlük pil kaydı
İlk yaklaşımımız, bir XIAO nRF54LM20A’yı gerçek bir lityum hücreden beslemek ve talep üzerine Boot düğmesinden bir GPIO kesintisi ile günlerce sürekli olarak kaydetmekti. Ancak okumalar beklenenden daha yüksek geldi ve bunun SoC, kart veya ölçüm düzeni olup olmadığı başlangıçta net değildi.
Açığı Tanımlamak
SE ve EE ekipleri ile derinlemesine incelediğimizde, iki değişkenin anahtar olduğu ortaya çıktı:
- Örnekleme hızı. 1 örnek/saniye hızında, PPK2 gerçek akım tabanını çözmek için çok kaba kalıyordu – gerçek davranışı görünür bir şekilde düzleştiriyor ve gerçek düşük güç durumunu maskelemekteydi.
- Voltaj kaynağı. Aynı nominal voltajda bir pil ve PPK2 simüle edilmiş “Kaynak ölçer” aynı şekilde okumaz, çünkü simüle edilmiş kaynak mükemmel bir şekilde düzenlenmiş bir ray tutarken, bir pilin iç direnci ve küçük bir düşüşü vardır.
İki değişkeni izole etmek için, aynı firmware’i dört konfigürasyonda (aynı kart, aynı yapı) çalıştırdık ve sonuçları doğrudan karşılaştırdık:
| Güç kaynağı | Örnekleme hızı | Ölçülen akım |
|---|---|---|
| Li-ion batarya, 4.12 V | 10 Hz | 5.47 µA |
| Li-ion batarya, 4.12 V | 100,000 Hz | 5.27 µA |
| PPK2 simüle edilmiş kaynak, 4.12 V | 100,000 Hz | 5.22 µA |
| PPK2 simüle edilmiş kaynak, 4.12 V | 100,000 Hz | 4.93 µA |
Sonuç
Kart, 3.7 V Li-ion batarya ile çalıştırıldığında Sistem OFF akımı 4.93 μA kadar düşük bir değer elde etti.
Bağımsız Topluluk Onayı
Bu kart üzerinde bir ölçüm aleti kullanan tek kişiler biz değiliz. Seeed Studio forumundaki geliştirici “msfujino” nPM1300’ün düşük güç durumları için kendi ölçümlerini yaptı ve Hibernate Modunda 0.5 µA ve Ship Modunda 0.3 µA değerlerini bildirdi (topluluk nrf54-arduino-core BSP’si yerine nRF Connect SDK kullanılarak).
Kendi batarya raporlama düğümünüzü oluşturmak istiyorsanız, sadece uyku akımını ölçmek yerine, xiao-nrf54-battery-thread-coap projesi faydalı bir referanstır: bu, XIAO nRF54LM20A üzerindeki nPM1300 yakıt ölçüm tarzı sensör API’sinden batarya voltajı/akımını okuyan bir Zephyr örneğidir (ve XIAO nRF54L15 üzerinde ADC aracılığıyla) ve bunu bir nRF54L15 DK sınır yönlendiricisine Thread/CoAP üzerinden raporlar.
Pil Ömrü İçin Bu Ne Anlama Geliyor
4.93 µA Sistem KAPALI akımında, 1080 mAh hücre teorik olarak, kendi kendine deşarj ve hücre yaşlanması – ham akım çekişi değil – sınırlayıcı faktör haline gelmeden önce on yıldan fazla bir süreye sahiptir. Kullanıcı etkileşimi ile kısa süreli uyanan ve çoğunlukla uyuyan bir cihaz (akıllı kilit tuş takımı, varlık etiketi, giyilebilir buton) için nRF54LM20A’nın uyku akımı artık sistemdeki darboğaz değildir; pil kimyası ve raf ömrü kısıtlama haline gelir. Bu, yeni bir ürün için pil ömrü hesaplaması yapan herkes için anlamlı bir değişimdir.
Kaynak
Bu tür bir testi yeniden üretmek veya SoC üzerinde çalışmaya başlamak istiyorsanız, bu iyi sonraki duraklardır:
- XIAO nRF54LM20A (Sense) başlangıç kılavuzu — Seeed Studio Wiki
- nRF54LM20A SoC Veri Sayfası — Nordic Semiconductor
- xiao_nrf54lm20a için Zephyr kartı belgeleri
- XIAO nRF54LM20A (Sense) Seeed Studio Bazaar’da
- XIAO nRF54L15 Seeed Studio Bazaar’da