超低功耗RF設(shè)計(jì)考量揭密

盡管仍處于起步階段，但短距離射頻的前景看來(lái)一片光明。而推動(dòng)該市場(chǎng)不斷擴(kuò)張的催化劑將會(huì)是超低功耗技術(shù)。在這個(gè)每星期出貨量高達(dá)數(shù)千萬(wàn)顆的短距、低功耗射頻市場(chǎng)中，採(cǎi)用2.4GHz ISM頻段的技術(shù)仍居主流，包括Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee，當(dāng)然，這個(gè)領(lǐng)域還包括了其他多種尚未成熟的無(wú)線技術(shù)。未來(lái)幾年內(nèi)，我們的生活周遭可能會(huì)出現(xiàn)許多令人印象深刻無(wú)線連接技術(shù)。

　　短距無(wú)線市場(chǎng)的主要趨勢(shì)之一，是超低功耗（ULP）無(wú)線應(yīng)用的大規(guī)模擴(kuò)展。這種應(yīng)用的特徵是採(cǎi)用由鈕扣型電池供電的微型RF收發(fā)器，在需要時(shí)被喚醒以便快速地連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，而后再回到nA等級(jí)耗電量的‘休眠’狀態(tài)。ABI Research統(tǒng)計(jì)，2010年無(wú)線感測(cè)器網(wǎng)路（WSN）晶片市場(chǎng)成長(zhǎng)了300%；而在2016年，醫(yī)療保健和個(gè)人健身設(shè)備採(cǎi)用的藍(lán)牙低功耗晶片出貨量將會(huì)超過(guò)4.67億顆。

　　任何一種可攜式電子產(chǎn)品或設(shè)備都能添加超低功耗無(wú)線連接特性，從微型醫(yī)療/健身感測(cè)器、手機(jī)、電腦、機(jī)械工具、汽車都包括在內(nèi)。微型ULP收發(fā)器能夠直接與數(shù)以千計(jì)的其他設(shè)備直接通訊，或是作為網(wǎng)路的一部份，從而強(qiáng)化產(chǎn)品的實(shí)用性。

　　然而，對(duì)多數(shù)工程師而言，RF設(shè)計(jì)仍然是一種黑色藝術(shù)。RF設(shè)計(jì)確實(shí)不平凡，但現(xiàn)代的晶片供應(yīng)商和開發(fā)工具套件將協(xié)助設(shè)計(jì)師發(fā)揮更多設(shè)計(jì)技巧。本文將描述ULP無(wú)線技術(shù)、晶片，并探討如何更好地運(yùn)用它們。

　　超低功耗無(wú)線揭密

　　超低功耗無(wú)線技術(shù)不同于所謂的低功耗的短程無(wú)線電技術(shù)，如藍(lán)牙（目前業(yè)界將之稱為經(jīng)典藍(lán)牙［Classic Bluetooth］，以便與包含超低功耗藍(lán)牙低耗能（BLE）技術(shù)的新版藍(lán)牙4.0區(qū)別）。超低功耗無(wú)線技術(shù)所需的操作電源顯著減少，能賦予許多設(shè)計(jì)精巧的可攜式設(shè)備無(wú)線連接能力。

　　傳統(tǒng)藍(lán)牙的電力需求較大，甚至當(dāng)使用者資料傳輸量不大時(shí)，也幾乎會(huì)獨(dú)占電池。這種電力需求代表著傳統(tǒng)藍(lán)牙對(duì)‘低頻寬、長(zhǎng)壽命’的應(yīng)用而言并非理想的無(wú)線解決方案。

　　相較之下，超低功耗RF收發(fā)器可以運(yùn)用鈕扣電池（如CR2032或CR2025）運(yùn)作數(shù)個(gè)月甚至數(shù)年的時(shí)間。這些鈕扣電池體積小，價(jià)格便宜，但儲(chǔ)能量很有限，通常在90～240mAh之間。與之相比，假設(shè)平均漏電流為一顆200μA，那么一顆AA電池的儲(chǔ)能量至少有10～12倍。

　　如此低的儲(chǔ)能量嚴(yán)重限制了ULP無(wú)線鏈路的主動(dòng)工作週期（active duty cycle）。例如，一顆220mAh的CR2032鈕扣電池，若持續(xù)使用至少一年（220mAh/（24hr x 365day）），則可維持的最大額定電流僅25μA（或放電率）。

　　ULP硅無(wú)線電晶片則可實(shí)現(xiàn)僅數(shù)十毫安（milliamps）的峰值電流，以Nordic的nRF24LE1 2.4GHz收發(fā)器為例，在傳送時(shí)僅11.1mA（0dBm輸出功率）；接收時(shí)則僅13.3mA（速率2Mbps）。如果能在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)將平均電流限制在數(shù)十微安，則工作週期可降至極低（約0.25%），晶片也能很快地回到nA等級(jí)休眠模式。

不同的應(yīng)用

　　如果收發(fā)器有99.75%的時(shí)間都在休眠，一旦必須喚醒時(shí)，往往很難立即正常運(yùn)作。而ULP收發(fā)器的特色之一便是能迅速喚醒，傳送極短但相對(duì)頻寬較高的‘bursts’資料‘（高達(dá)1或2Mbps），而后立即返回極低功耗的休眠狀態(tài)。

　　因此，ULP RF收發(fā)器并不會(huì)直接與Wi-Fi和傳統(tǒng)藍(lán)牙應(yīng)用展開競(jìng)爭(zhēng)。然而，ULP無(wú)線卻已開啟了極廣泛的嶄新應(yīng)用。這些應(yīng)用包羅萬(wàn)象。ULP無(wú)線已經(jīng)大舉進(jìn)入體育、健康、娛樂(lè)、PC週邊、遙控、游戲、手機(jī)配件，家庭自動(dòng)化和工業(yè)控制等領(lǐng)域，且未來(lái)幾年還將延伸到更多其他市場(chǎng)。

　　這些應(yīng)用的共同點(diǎn)便在于能讓ULP無(wú)線技術(shù)發(fā)揮它的實(shí)力。這些應(yīng)用設(shè)備通常採(cǎi)用小型感測(cè)器和週邊以及小型電池，每隔幾秒或固定時(shí)間發(fā)送極少量的數(shù)據(jù)（通常僅數(shù)位元）。然而，根據(jù)不同的應(yīng)用類別，對(duì)ULP無(wú)線的設(shè)計(jì)需求仍不盡相同，如帶有可監(jiān)控速度和距離的性能感測(cè)器、射頻遠(yuǎn)端控制設(shè)備，以及像心律監(jiān)控等醫(yī)療用感測(cè)器的自行車電腦、