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。
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)
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