基于高集成度SoC發(fā)射器的簡化RF遙控器設計

　　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：為用戶提供輸入命令的按鍵；把用戶命令轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息的MCU；用于調(diào)制和發(fā)射消息的RF發(fā)射器；天線；為遙控器提供動力的電池。制造商在設計RF遙控器時所面臨的共同挑戰(zhàn)，是如何提供穩(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盡可能大的功率(在滿足政府法規(guī)限制下)，同時提供一個高靈敏度的接收器，因為總發(fā)射距離是發(fā)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，這也意味著所有遙控器應具有相同的輸出性能，因為它們都要符合相同法規(guī)限制。在理想世界中這是可能的，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發(fā)射輸出功率幾乎是不可能的。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”)都會改變天線的阻抗，進而改變發(fā)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)，很容易導致輸出功率低于政府法規(guī)限制6dB，根據(jù)Friis自由空間路徑損耗公式發(fā)射距離也將相應的縮短2倍。

　　Si4010發(fā)射器是Silicon Labs EZRadio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)天線至最佳發(fā)射功率。傳統(tǒng)的遙控器設計中，RF發(fā)射器差異、組件和天線制造公差以及周圍環(huán)境導致天線效率較低、輸出能量浪費嚴重。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可以最大化發(fā)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發(fā)射功率最大化，并通過允許放寬PCB天線制造公差來降低設計成本。

　　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”的影響，反饋回路有效維持穩(wěn)定輸出功率，正如上文所述，當一個人手持遙控器時將改變天線阻抗。天線調(diào)諧的最終結(jié)果，是為每個按鍵操作提供穩(wěn)定可靠和最佳的性能，同時降低符合RF匹配要求的設計成本和復雜性。使用Si4010自動天線調(diào)諧特性的遙控器能夠可靠和穩(wěn)定運行，在滿足政府發(fā)射限制下提供最大發(fā)射距離。

　　電池壽命是任何便攜式電子設備，特別是遙控器的重要考慮因素。當我們考慮典型的遙控器使用方式時發(fā)現(xiàn)，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用的理想選擇。此外，具有觸摸喚醒功能的GPIO特性進一步減少了遙控器的電流消耗，延長了電池壽命。

　　圖3 是典型遙控器應用中Si4010的功耗實例。使用CR2032電池，最大發(fā)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。如果我們假設如下情形：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220mAH CR2032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情況，但它確實說明了Si4010發(fā)射功耗低的特性和低待機電流的重要性。Si4010發(fā)射器的超低待機電流比許多現(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)別點非常重要。

　　所有遙控器設計的最重要考慮因素之一，是最大限度地減小系統(tǒng)設計成本，這受到除元件成本外許多因素的影響，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發(fā)射器，如圖4所示。

圖4：基于SAW遙控發(fā)射器的簡化原理圖

　　這種設計的拓撲結(jié)構(gòu)被廣泛接受，主要是因為其低成本和簡單。SAW設備與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提供輸出功率放大和穩(wěn)定運行所需的隔離功能。來自MCU的數(shù)據(jù)直接應用于SAW諧振器，形成OOK調(diào)制信號，來自MCU的GPIO6提供電壓(VCC)到基于SAW的發(fā)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提供時鐘的石英晶體，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可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的發(fā)射器被廣泛應用于遙控器(由于其較低的元件成本)，但是舊有技術有許多缺點。除了大量RF組件所帶來的較高系統(tǒng)成本外，基于SAW的發(fā)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發(fā)射器是一款完整的SoC遙控器IC?；趯＠夹g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的低成本發(fā)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)諧和為滿足FCC、ETSI和ARIB無線電頻率法規(guī)要求的PA邊沿速率控制。嵌入式8051 MCU為進行快速處理而進行了指令優(yōu)化，具有512B內(nèi)部RAM、4kB RAM，8kB OTP NVM、128b EEPORM, 12kB 函數(shù)庫ROM和硬件加速的128b AES加密邏輯。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成為紐扣電池應用的理想選擇。圖5是Si4010 SoC 發(fā)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Si4010 IC、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的發(fā)射器(3比24)，而且Si4010也無需任何RF元件，因為所有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)定可靠的輸出功率，并且通過放寬制造工藝中的公差范圍(因為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設計的遙控器克服了傳統(tǒng)RF發(fā)射器所面臨的許多問題。Si4010利用天線調(diào)諧特性消除了困難且繁瑣的RF匹配問題，同時也降低了高成本的RF設計費用，縮短了上市時間。硬件設計的任務降低到：為給定遙控器幾何形狀選擇最佳的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。

　　使用集成在12kB ROM中的Si4010發(fā)射器函數(shù)庫進行遙控器軟件開發(fā)是非常容易的。該庫包括按鍵服務、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7：Si4010遙控器控制流程圖

　　圖7是遙控器應用中Si4010控制流程圖。安裝電池或通過按鍵從待機模式喚醒后，Si4010自動啟動引導過程，它從非易失性存儲器中復制用戶代碼到RAM中，然后運行用戶代碼。引導完成后，設備的數(shù)字部分，首先初始化(MCU、中斷、定時器、外設等)，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)、數(shù)據(jù)率、PA發(fā)射等級、載波頻率等都在這個階段設定。

　　當初始化完成后，程序進入主循環(huán)并監(jiān)視按鍵操作，進行事件處理。依賴于哪一個按鍵被按下，程序決定做什么，并根據(jù)按鍵構(gòu)建適合的數(shù)據(jù)包。然后，Si4010微調(diào)頻率并發(fā)射數(shù)據(jù)包。一旦信息發(fā)射完成，Si4010完全關閉并轉(zhuǎn)入超低功耗待機狀態(tài)。在待機模式，芯片耗電少于10nA(25°C溫度下)，并能夠從任意GPIO按鍵按下中喚醒，重新開始處理。