【無線射頻芯片】-基于SoC發(fā)射器的簡化RF遙控器設(shè)計

1/1基于SoC發(fā)射器的簡化RF遙控器設(shè)計遙控器有很多不同的尺寸和外形，而且選擇的無線技術(shù)也不盡相同。作為產(chǎn)品配件，其廣泛用于消費類電子領(lǐng)域，如電視機、電子嬉戲機、音響系統(tǒng)、燈光掌握以及家居自動化(包括車庫門/房門啟動器、空調(diào)設(shè)備、風(fēng)扇和汽車RKE系統(tǒng))。最常見的遙控器使用紅外(IR)技術(shù)，這主要是由于紅外元件成本相對較低，但這些基于IR的掌握器有很多缺陷，包括需要在視角范圍內(nèi)、操作角度限制、傳輸距離短、與IRLED相關(guān)的反射和高電流消耗等，這些缺陷大大縮短了電池壽命。RF遙控器解決了這些問題，并且由于可帶給用戶更好的使用體驗，產(chǎn)品也日益豐富。此外，技術(shù)改進正在使得RF-IR元件之間的價格差越來越小。

RF遙控器有其共有的特性，如圖1結(jié)構(gòu)簡圖所示。RF遙控器的基本組件包括：為用戶供應(yīng)輸入命令的按鍵；把用戶命令轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息的MCU；用于調(diào)制和放射消息的RF放射器；天線；為遙控器供應(yīng)動力的電池。制造商在設(shè)計RF遙控器時所面臨的共同挑戰(zhàn)，是如何供應(yīng)穩(wěn)定的最大傳輸距離、確保更長的電池壽命和維持較低的系統(tǒng)成本。

圖1：RF遙控器結(jié)構(gòu)簡圖

最大化傳輸距離涉及使用完可能大的功率(在滿意政府法規(guī)限制下)，同時供應(yīng)一個高靈敏度的接收器，由于總放射距離是放射器輸出功率和接收器靈敏度共同作用的結(jié)果。從遙控器端來說，設(shè)計目標是構(gòu)建符合政府法規(guī)限制的最大輸出功率，這也意味著全部遙控器應(yīng)具有相同的輸出性能，由于它們都要符合相同法規(guī)限制。在抱負世界中這是可能的，但在真實世界中，由于元件和制造公差，要每個在生產(chǎn)線上制造的遙控器都有最佳的放射輸出功率幾乎是不行能的。此外，來自用戶手持遙控器帶來的干擾，甚至觸摸按鍵(又稱“手效應(yīng)”)都會轉(zhuǎn)變天線的阻抗，進而轉(zhuǎn)變放射輸出功率。真實世界的影響能夠降低遙控器的有效輻射功率(ERP)，很簡單導(dǎo)致輸出功率低于政府法規(guī)限制6dB，依據(jù)Friis自由空間路徑損耗公式放射距離也將相應(yīng)的縮短2倍。

Si4010放射器是SiliconLabsEZRadio無線產(chǎn)品線的最新成員，也是業(yè)界第一款單芯片遙控器IC，只需要一個外部旁路電容、一塊PCB、電池和一塊帶按鍵的外殼，即可構(gòu)成一個完整的遙控器。Si4010包括一個專利天線調(diào)諧電路，能夠為每一個按鍵動作自動微調(diào)天線至最佳放射功率。傳統(tǒng)的遙控器設(shè)計中，RF放射器差異、組件和天線制造公差以及四周環(huán)境導(dǎo)致天線效率較低、輸出能量鋪張嚴峻。圖2是Si4010功率放大器和天線調(diào)諧電路的結(jié)構(gòu)簡圖。

圖2：Si4010天線調(diào)諧框圖

通過調(diào)整片上與天線自感產(chǎn)生共振的可變電容器，Si4010可以最大化放射天線效率。這些自動的電容器調(diào)整通過補償天線匹配電路的失諧使遙控器的放射功率最大化，并通過允許放寬PCB天線制造公差來降低設(shè)計成本。

功率放大器(PA)包含一個反饋回路，通過監(jiān)視PA輸出電壓、調(diào)整PA電流驅(qū)動(以補償天線阻抗的變化)，從而維持穩(wěn)定的輸出功率。盡管有溫度變化和“手效應(yīng)”的影響，反饋回路有效維持穩(wěn)定輸出功率，正如上文所述，當(dāng)一個人手持遙控器時將轉(zhuǎn)變天線阻抗。天線調(diào)諧的最終結(jié)果，是為每個按鍵操作供應(yīng)穩(wěn)定牢靠和最佳的性能，同時降低符合RF匹配要求的設(shè)計成本和簡單性。使用Si4010自動天線調(diào)諧特性的遙控器能夠牢靠和穩(wěn)定運行，在滿意政府放射限制下供應(yīng)最大放射距離。

電池壽命是任何便攜式電子設(shè)備，特殊是遙控器的重要考慮因素。當(dāng)我們考慮典型的遙控器使用方式時發(fā)覺，超過99%的時間里，遙控器處于等待用戶按鍵操作的狀態(tài)。在此期間，Si4010功耗小于10nA(室溫下)，這使其成為電池供電應(yīng)用的抱負選擇。此外，具有觸摸喚醒功能的GPIO特性進一步削減了遙控器的電流消耗，延長了電池壽命。

圖3是典型遙控器應(yīng)用中Si4010的功耗實例。使用CR2032電池，最大放射功率+10dBm。

圖3：Si4010電池壽命計算實例

在傳輸期間，輸出功率為+10dBm時，Si4010在OOK調(diào)制模式下耗電14.2mA或在FSK調(diào)制模式下耗電19.8mA。假如我們假設(shè)如下情形：1kBaud數(shù)據(jù)傳輸率、曼徹斯特編碼、每數(shù)據(jù)包100bit、每次按鍵重復(fù)發(fā)送3次，則我們得到如下結(jié)論：在每天50次按鍵、連續(xù)5年操作條件下，OOK調(diào)制模式下僅消耗220mAHCR2032電池電量的52%；FSK調(diào)制模式下消耗電池電量的71%。

雖然這個例子沒有包括電池的漏電狀況，但它的確說明白Si4010放射功耗低的特性和低待機電流的重要性。Si4010放射器的超低待機電流比很多現(xiàn)存解決方案低一個數(shù)量級，對于延長遙控器電池壽命來說這一區(qū)分點特別重要。

全部遙控器設(shè)計的最重要考慮因素之一，是最大限度地減小系統(tǒng)設(shè)計成本，這受到除元件成本外很多因素的影響，包括勞動力成本、庫存、測試和制造產(chǎn)量。到目前為止，市場上占主導(dǎo)地位的低成本RF遙控器解決方案是使用MCU和基于表面聲波(SAW)的RF放射器，如圖4所示。

圖4：基于SAW遙控放射器的簡化原理圖

這種設(shè)計的拓撲結(jié)構(gòu)被廣泛接受，主要是由于其低成本和簡潔。SAW設(shè)備與Colpitts振蕩器結(jié)構(gòu)中的晶體管Q1產(chǎn)生共振形成載波頻率，晶體管Q2供應(yīng)輸出功率放大和穩(wěn)定運行所需的隔離功能。來自MCU的數(shù)據(jù)直接應(yīng)用于SAW諧振器，形成OOK調(diào)制信號，來自MCU的GPIO6供應(yīng)電壓(VCC)到基于SAW的放射器。整個解決方案使用24個外部元件，包括MCU、一個旁路電容、為MCU供應(yīng)時鐘的石英晶體，帶板內(nèi)天線的PCB板和電容器。RF組件成本(不包括PCB、MCU和旁路電容)是$0.77(10萬數(shù)量級)。傳統(tǒng)上，這已經(jīng)成為最低元件成本的牢靠射頻傳輸解決方案。從系統(tǒng)成本的角度來看，較多的BOM數(shù)量增加了其他成本，如勞動力成本、庫存和測試等費用，并降低了產(chǎn)量。

雖然基于SAW的放射器被廣泛應(yīng)用于遙控器(由于其較低的元件成本)，但是舊有技術(shù)有很多缺點。除了大量RF組件所帶來的較高系統(tǒng)成本外，基于SAW的放射器還有如下缺點：載波頻率精度低、單頻操作、僅支持OOK調(diào)制、性能穩(wěn)定性差、對器件容差敏感、產(chǎn)量低。

與此相反，Si4010放射器是一款完整的SoC遙控器IC?；趯＠夹g(shù)的Si500硅振蕩器，其專利的無晶體架構(gòu)在商業(yè)溫度范圍內(nèi)可獲得±150ppm的載波頻率精度，在工業(yè)溫度范圍內(nèi)則該數(shù)據(jù)為±250ppm，是傳統(tǒng)基于SAW的低成本放射器(無外部晶體)頻率精度的2倍。Si4010可在27-960MHz的連續(xù)頻率范圍內(nèi)工作，并且包括最大輸出功率高達+10dBm的可編程PA，自動天線調(diào)諧和為滿意FCC、ETSI和ARIB無線電頻率法規(guī)要求的PA邊沿速率掌握。嵌入式8051MCU為進行快速處理而進行了指令優(yōu)化，具有512B內(nèi)部RAM、4kBRAM，8kBOTPNVM、128bEEPORM,12kB函數(shù)庫ROM和硬件加速的128bAES加密規(guī)律。1.8-3.6V供電范圍、比超低功耗(10nA)還少的待機電流以及觸摸喚醒操作，使得Si4010成為紐扣電池應(yīng)用的抱負選擇。圖5是Si4010SoC放射器框圖。

圖5：Si4010框圖

圖6是一個使用Si4010的遙控器原理圖，帶有一個可選的LED燈用于按鍵操作時的指示。遙控器總的BOM(不包括可選的LED燈)包括一顆Si4010IC、一顆旁路電容、帶板載天線和電容的PCB。Si4010不僅總BOM數(shù)量少于基于SAW的放射器(3比24)，而且Si4010也無需任何RF元件，由于全部元件都集成在了芯片內(nèi)部。此外，Si4010器件的自動天線調(diào)諧功能保證了穩(wěn)定牢靠的輸出功率，并且通過放寬制造工藝中的公差范圍(由于高精確的天線匹配不再需要)，降低了系統(tǒng)成本。

圖6：使用Si4010的遙控器簡圖

使用Si4010設(shè)計的遙控器克服了傳統(tǒng)RF放射器所面臨的很多問題。Si4010利用天線調(diào)諧特性消退了困難且繁瑣的RF匹配問題，同時也降低了高成本的RF設(shè)計費用，縮短了上市時間。硬件設(shè)計的任務(wù)降低到：為給定遙控器幾何外形選擇最佳的PCB天線，為Si4010、PCB板載天線、旁路電容、按鍵和電池進行合理布局和布線。圖7是434MHzSi4010遙控器PCB板。

圖7：434MHzSi4010遙控器PCB板

使用集成在12kBROM中的Si4010放射器函數(shù)庫進行遙控器軟件開發(fā)是特別簡單的。該庫包括按鍵服務(wù)、AES加密、編碼模塊、電池電壓檢測和其他有用的遙控功能，從而降低代碼大小，加速上市。

圖8：Si4010遙控器掌握流程圖

圖8是遙控器應(yīng)用中Si4010掌握流程圖。安裝電池或通過按鍵從待機模式喚醒后，Si4010自動啟動引導(dǎo)過程，它從非易失性存儲器中復(fù)制用戶代碼到RAM中，然后運行用戶代碼。引導(dǎo)完成后，設(shè)備的數(shù)字部分，首先初始化(MCU、中斷、定時器、外設(shè)等)，然后模擬部分使用ROM庫中的函數(shù)進行初始化。例如調(diào)制類型(OOK或FSK)