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[技术讨论] nRF54L15的功耗比nRF52840功耗更低的原因

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发表于 5 天前 | 显示全部楼层 |阅读模式
一、芯片硬件

[color=rgba(0, 0, 0, 0.85)]1、采用 22nm 工艺节点,相比前代 nRF52 系列的 55nm 工艺,晶体管尺寸更小,漏电流(静态功耗的主要来源)显著降低。同时,专门设计的低漏电 SRAM 可在休眠时减少电荷流失,降低维持数据所需的功耗
[color=rgba(0, 0, 0, 0.85)]2、[color=rgba(0, 0, 0, 0.85)]集成的超低功耗振荡器启动时间极短(微秒级),意味着从休眠唤醒时,无需长时间等待时钟稳定,减少了过渡阶段的无效能耗。全局 RTC 可在最深休眠模式(System OFF)下运行,仅消耗微安级电流,同时精准计时,确保设备按需唤醒,避免不必要的启动
[color=rgba(0, 0, 0, 0.85)]3、[color=rgba(0, 0, 0, 0.85)]射频模块的启动与切换速度更快,可缩短通信时的活跃时间(例如从休眠到接收 / 发射状态的切换时间减少)。同时,射频电路的功耗本身经过优化,接收(RX)和发射(TX)时的电流相比 nRF52840 降低约 30%,直接减少通信阶段的能耗
[color=rgba(0, 0, 0, 0.85)]

[color=rgba(0, 0, 0, 0.85)]二、软件部分
[color=rgba(0, 0, 0, 0.85)]1、使用NCS的SDK,集成了Zephye的操作系统,[color=rgba(0, 0, 0, 0.85)]nRF Connect SDK 中,驱动程序针对硬件特性深度定制,例如外设(ADC、GPIO 等)的启动 / 关闭时序更高效,避免冗余操作。蓝牙 LE 协议栈支持动态调整通信参数(如广播间隔、连接间隔),并与硬件低功耗模式无缝联动
[color=rgba(0, 0, 0, 0.85)]2、[color=rgba(0, 0, 0, 0.85)]软件可根据任务负载动态切换芯片工作模式:轻量任务(如传感器数据采集)仅启动低功耗核心(Cortex-M0+)和必要外设;空闲时立即进入 System OFF 模式,仅保留 RTC 和关键状态,将静态功耗压至 0.5µA 以下
[color=rgba(0, 0, 0, 0.85)]

三、参数对比

1、MCU功耗

1. 处理效率对比
场景
nRF54L 系列
nRF52840
改进幅度
CPU 运行 CoreMark(从 NVM)
2.6 mA(128 MHz)
3.3 mA(64 MHz)
-21%
处理效率(μA/MHz)
20 μA/MHz
52 μA/MHz
-62%

2. 休眠模式功耗对比
休眠场景
nRF54L 系列
nRF52840
改进幅度
系统开启,保留 256 KB RAM
3.0 μA
2.35 μA
+28%
系统开启,不保留 RAM
0.7 μA
0.97 μA
-28%
系统关闭(带全局 RTC 唤醒)
0.8 μA
N/A*
N/A
系统关闭(无 RTC)
0.6 μA
0.4 μA
+50%


[color=var(--md-box-samantha-normal-text-color) !important]* 注:nRF52840 在系统关闭模式下 RTC 不可用,替代方案为带 RTC 唤醒的系统开启模式(1.5 μA)。
3. 射频功耗对比
蓝牙场景
nRF54L 系列
nRF52840
改进幅度
蓝牙 LE TX 1 Mbps @8 dBm
9.8 mA
16.4 mA
-40%
蓝牙 LE TX 1 Mbps @0 dBm
4.8 mA
6.4 mA
-25%
蓝牙 LE RX 1 Mbps
3.4 mA
6.4 mA
-47%





关键改进说明
  • [color=var(--md-box-samantha-normal-text-color) !important][color=var(--md-box-samantha-deep-text-color) !important]处理性能提升
    nRF54L 系列 CPU 主频提升至 128 MHz(nRF52840 为 64 MHz),但运行相同负载时电流降低 21%,处理效率(μA/MHz)提升 62%。这意味着在计算密集型任务中,单位算力的功耗显著降低,可更快完成任务并进入休眠。

  • [color=var(--md-box-samantha-normal-text-color) !important][color=var(--md-box-samantha-deep-text-color) !important]休眠模式优化
    • 在系统开启但不保留 RAM 时,nRF54L 系列休眠电流降低 28%;
    • 新增的系统关闭模式(带全局 RTC 唤醒)仅消耗 0.8 μA,而 nRF52840 无此功能(替代方案功耗为 1.5 μA);
    • 尽管部分场景(如保留 RAM 时)休眠电流略高(+28%),但得益于更丰富的低功耗模式选择,整体能效更优。
  • [color=var(--md-box-samantha-normal-text-color) !important][color=var(--md-box-samantha-deep-text-color) !important]射频效率突破
    射频收发电流全面降低,尤其是接收模式下电流接近减半(-47%)。这对于需要频繁通信的物联网设备(如实时传感器、网关)至关重要,可大幅延长电池寿命




三、Bluetooth LE 与 Matter 功耗改进对比表

1. 蓝牙 LE 广播场景功耗对比
场景描述
nRF54L 系列
nRF52840
改进幅度
未修改广播(TX/RX)设置
45 μA
94 μA
-52%
仅调整射频发射功率至 8 dBm
63 μA
129 μA
-51%
8 dBm 发射功率 + 20 字节 TX 负载
109 μA
204 μA
-47%
2. 蓝牙 LE 连接(外设模式)场景功耗对比
场景描述
nRF54L 系列
nRF52840
改进幅度
未修改连接(外设)设置
26 μA
48 μA
-46%
仅调整射频发射功率至 8 dBm
30 μA
55 μA
-46%
8 dBm 发射功率 + 20 字节 TX 负载
46 μA
81 μA
-43%
关键改进分析
  • [color=var(--md-box-samantha-normal-text-color) !important][color=var(--md-box-samantha-deep-text-color) !important]全场景功耗减半
    在蓝牙 LE 广播和连接场景中,nRF54L 系列的平均电流消耗相比 nRF52840 降低约 43%-52%。这一提升在高负载场景(如高发射功率、大数据负载)下更为显著,体现了其射频前端与协议栈的协同优化。

  • [color=var(--md-box-samantha-normal-text-color) !important][color=var(--md-box-samantha-deep-text-color) !important]高功率发射效率提升
    当发射功率提升至 8 dBm 时,nRF54L 系列仍能保持较低的功耗增长。例如在 20 字节负载下,nRF54L 系列仅增加至 109 μA(nRF52840 为 204 μA),表明其功率放大器设计更高效,减少了能量转换损耗。
  • [color=var(--md-box-samantha-normal-text-color) !important][color=var(--md-box-samantha-deep-text-color) !important]Matter 协议适配优势
    由于 Matter 基于蓝牙 LE 和 Thread 构建,这些改进同样适用于 Matter 设备。更低的通信功耗使 nRF54L 系列在智能家居等多协议场景中更具优势,可支持更长时间的电池续航


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