基于HopeRF的CMT2156A的無線自發電開關應用

0   引言

華普微公司的CMT2156A 是一款針對微能量收集并進行發射的單芯片，內嵌可配置編碼的高性能OOK射頻發射器，支持（240~480）MHz 的能量手機無線發射的應用。該芯片集成的編碼器兼容市面上最常用的1527、2262 編碼格式，還支持自定義靈活性更高的1920 編碼，與華普微CMT221x 系列單接收射頻芯片配對使用，可以實現低成本且環保的免電池、免布線電子遙控產品。

1   無線自發電開關與傳統方案的對比：

2   無線自發電開關系統結構及原理

無線自發電開關無需接入電池、電源等供電設備，完全通過開關的機械動作自主發電產生工作能量。

基本原理是電磁感應，通過手按動、撥動、轉動開關的動作來操作磁條切割線圈來產生電能，產生的電能驅動后端的功能、射頻電路工作，具體見圖1。

圖1 無線自發電開關原理

無線自發電開關系統根據功能的簡單到高級，常見的系統設計有3 種：

1）單路簡易無線遙控應用如圖2。典型應用：單路燈控開關、門禁開關、報警開關等。

2）單路多功能無線遙控應用如圖3。典型應用：無線門鈴。

3）多路遙控應用如圖4。典型應用：多路燈控開關、多功能開關組、電器控制開關幾遙控開關等。

3   基于華普微CMT2156A的動能開關設計

3.1 CMT2156A的參數特性

1) 微能量收集部分

●   內嵌整流橋支持微能量電機直接接入；

●   內嵌高效DC-DC Buck 電路，效率高達95%；

●   支持發電機抬起檢測，可實現首次電量存儲至抬起發射；

●   內置PSM 功耗管理，可根據負載需求，調節自身功耗，以節省能量。

2) 高頻編碼發射部分：

●   頻率：（240~480）MHz（CMT2159A 支持Sub-1GHz）

●   速率：OOK：（0.5~40）kbps

FSK / GFSK：（0.5~200）kbps（僅CMT2159A）

●   輸出功率：高達13 dBm，單端PA 輸出

●   編碼方式：支持1527 編碼，1920 編碼

3.2 CMT2156A的功能模塊圖[1]如圖5。

1）為了減少外圍元件數，CMT2156A 采用單引腳晶體振蕩電路，晶體振蕩所需的負載電容集成在芯片內部。

2） 在每次上電復位（POR）時，芯片內部的模擬模塊都根據內部基準電壓源校準，可以讓芯片在不同溫度計電壓下更好地工作。

3） 數據發射由按鍵動作觸發，所發射的數據調制后通過一個高效功率放大器發射出去， 發射功率在（-10~13）dBm范圍內， 以1 dB步進進行設置。

4）用戶可以通過USB Programmer 和RFPDK 將頻率、輸出功率及其他產品參數燒錄到芯片內置EEPROM中，以簡化開發及生產，降低成本。用戶也可以直接用433.92 MHz 等默認參數的現貨庫存直接生產，免除生產燒錄環節。

圖5 CMT2156A的功能模塊圖

3.3 CMT2156A的應用設計^[2]

硬件參考設計圖如圖6 所示。

圖6 硬件參考設計圖

1）單端輸出匹配電路設計說明

●   L1 是取能（Chock，扼流）電感。

●   C8，用于減小PA 輸出對電源的影響。用戶應根據使用環境適當選用。

●   C1 是隔直電容，同時與L2 中的部分電抗形成諧振選頻。

●   ANT 天線，CMOSTEK 提供的DEMO 板用的是膠棒天線。實際應用中，用戶可根據實際需要替換為PCB 天線、導線天線或彈簧天線等其他類型的天線。需要注意的是，不同的天線會影響到匹配網絡及各元件值的選取。

2）晶體電路設計說明

●   晶體應該盡量靠近CMT215xA/56B，以減少走線寄生電容。這可以有效降低頻率偏差的可能。

●   晶體應盡可能遠離PA 輸出、天線及數字走線，并在其周圍盡可能多鋪地。這樣可有效降低晶體被PA輸出干擾的可能。

●   晶體金屬外殼接地（比如說49S 插件晶體或柱晶等）。

●   晶體負載電容集成在芯片內，默認為15 pF，片外無需外掛負載電容，用戶可以直接選用頻率為26 MHz，負載電容為15 pF 的晶體。為了安全起見，建議用戶在PCB 上預留測試點，方便在線修改芯片參數。

3）數字信號（包括 DATA 和CLK）設計說明

●   數字信號應盡量遠離XTAL 和RF 走線。

●   數字信號應盡可能用鋪地圍起來，以減少相互串擾。

4）電源及地設計說明為了減輕電源上的噪聲/ 紋波對芯片的影響，以及PA 輸出對電源的影響， 用戶應當在芯片的VDDRF 管腳處（C8） 設計濾波電容。

5）PCB 布板細則

●   盡量用大片的連續鋪地設計。

●   地的走線使得電流的回流路徑環面積最小，以盡量減小從供電環路向外輻射。

●   芯片底部盡量不要走線，多鋪地，以減小對射頻輸出傳輸線阻抗的連續影響，并增強ESD 性能。

●   PCB 邊沿盡量多打間距不超過λ/10 的過孔，以減小PCB 邊沿的高次諧波輻射。

●   盡量避免用長和/ 或細的傳輸線來連接各個元件。

●   相鄰的電感要相互垂直擺放以減少相互耦合。

●   C0、C5、C8 盡量靠近CMT2156A，以實現更好濾波效果。

●   晶體X1 盡量靠近芯片，金屬外殼接地，遠離射頻輸出信號和數字信號。

●   C6 與C7 電容可用電解電容與鉭電容，要求耐壓15 V 以上，電容的大小與電機產生電量有關：電量>400 μJ 的電機，推薦使用C7:100 μF、C6:47 μF；200 μJ< 電量<400 μJ 的電機，推薦使用 C7:68 μF、C6:47 μF；100 μJ < 電量<200 μJ 的電機，推薦使用 C7:47 μF、C6:22 μF。

●   R1 電阻的功能主要在于釋放Power down 時電路中的電容與電感所存的電荷，使芯片能正常進行power up。其大小由L0 與電容的大小及每秒發射的次數確定，不加R1 電阻或R1 電阻值加得太大，可能按下電機時會誤觸發芯片進入發射狀態或導致上電不成功、無發射。

6）功耗優化考慮說明

對功耗要求比較嚴格的發射應用中，CMT2156A 提供了多種方法來滿足不同應用場景的需求。具體包括：

a）降低發射功率：用戶可通過2 種方法來改變發射功率

● 通過USB Programmer 和RFPDK 設置TX Power參數改變芯片的發射功率。

● 在取能電感和電源之間串一個電阻（圖中未示出），通過改變電阻值來調節發射功率。但是由于電阻的存在，這種方法會降低發射效率，所以我們推薦使用改變芯片發射功率設置的方法改變發射功率

b）優化匹配網絡

匹配網絡的目的是把輸出阻抗匹配到天線的阻抗上，不當的阻抗會降低發射效率，浪費功耗。根據不同的天線，用戶應該借助網絡分析儀等工具和手段，設計一套對于具體應用來說較優化的匹配網絡，以達到提高發射效率，優化功率的目的。

另外，值得注意的是，降低匹配網絡濾波器的階數，也可以一定程度上提高發射效率，降低功耗。但是濾波器階數的降低帶來的是諧波抑制的減弱，所以這種方法適用于對諧波輻射要求不高的應用場合。

c）提高發射數據率

在同樣包間隔的前提下，提高發射數據率可以縮短發射包的時間，從而降低平均功耗（如圖7）。值得注意的是，數據率的提高可能會降低接收靈敏度，進而影響傳輸距離。

d）控制LED 驅動電流

CMT2156A 可以直接驅動LED 以指示發射狀態或低電壓狀態。在LED 與VDD 之間串聯限流電阻，在可接受的亮度條件下盡可能地降低由驅動LED 消耗的電流。

7）開發和生產過程中的EEPROM 燒錄需要用到連接器J1。

圖7 提高發射數據率，可以縮短發射包的時間

4   結束語

CMT2156A 是集成度高的單芯片解決方案，客戶僅需選擇合適外觀結構微能量發電機，并匹配相應儲能電容即可完成設計，降低產品設計難度。目前的分立器件方案設計需要選擇合適結構發電機、性能好的肖特基二極管作全橋整流，選擇低功耗高效率的DC-DC 電源器件，并根據這些器件選擇進行發射參數的優化。其次，產品原理雖然簡單，但要設計出成本優、性能好的產品，需要一個系統性設計以及反復驗證和測試。而使用CMT2156A 則能大量簡化這些選型工作，且一致性好。

參考文獻：

[1] CMT2156A Datasheet[Z].CMOSTEK.

[2] AN177 CMT215xx原理圖及PCB版圖設計指南[Z].CMOSTEK.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年7月期）