SoC發(fā)射器簡(jiǎn)化RF遙控器設(shè)計(jì)

遙控器有許多不同的尺寸和形狀，而且選擇的無(wú)線技術(shù)也不盡相同。作為產(chǎn)品配件，其廣泛用于消費(fèi)類電子領(lǐng)域，如電視機(jī)、電子游戲機(jī)、音響系統(tǒng)、燈光控制以及家居自動(dòng)化(包括車庫(kù)門(mén)/房門(mén)啟動(dòng)器、空調(diào)設(shè)備、風(fēng)扇和汽車RKE系統(tǒng))。最常見(jiàn)的遙控器使用紅外(IR)技術(shù)，這主要是因?yàn)榧t外元件成本相對(duì)較低，但這些基于IR的控制器有許多缺陷，包括需要在視角范圍內(nèi)、操作角度限制、傳輸距離短、與IR LED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(wèn)題，并且由于可帶給用戶更好的使用體驗(yàn)，產(chǎn)品也日益豐富。此外，技術(shù)改進(jìn)正在使得RF-IR元件之間的價(jià)格差越來(lái)越小。

RF遙控器有其共有的特性，如圖1結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)力的電池。制造商在設(shè)計(jì)RF遙控器時(shí)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(zhǎng)的電池壽命和維持較低的系統(tǒng)成本。

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(shí)提供一個(gè)高靈敏度的接收器，因?yàn)榭偘l(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(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)目標(biāo)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(yīng)具有相同的輸出性能，因?yàn)樗鼈兌家舷嗤ㄒ?guī)限制。在理想世界中這是可能的，但在真實(shí)世界中，由于元件和制造公差，要每個(gè)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(lái)自用戶手持遙控器帶來(lái)的干擾，甚至觸摸按鍵(又稱“手效應(yīng)”)都會(huì)改變天線的阻抗，進(jìn)而改變發(fā)射輸出功率。真實(shí)世界的影響能夠降低遙控器的有效輻射功率(ERP)，很容易導(dǎo)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(yīng)的縮短2倍。

Si4010發(fā)射器是Silicon Labs EZRadio無(wú)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(gè)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(gè)完整的遙控器。Si4010包括一個(gè)專利天線調(diào)諧電路，能夠?yàn)槊恳粋€(gè)按鍵動(dòng)作自動(dòng)微調(diào)天線至最佳發(fā)射功率。傳統(tǒng)的遙控器設(shè)計(jì)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(dǎo)致天線效率較低、輸出能量浪費(fèi)嚴(yán)重。圖2 是Si4010功率放大器和天線調(diào)諧電路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖2：Si4010天線調(diào)諧框圖

通過(guò)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(dòng)的電容器調(diào)整通過(guò)補(bǔ)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(guò)允許放寬PCB天線制造公差來(lái)降低設(shè)計(jì)成本。

功率放大器(PA)包含一個(gè)反饋回路，通過(guò)監(jiān)視PA輸出電壓、調(diào)整PA電流驅(qū)動(dòng)(以補(bǔ)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(gè)人手持遙控器時(shí)將改變天線阻抗。天線調(diào)諧的最終結(jié)果，是為每個(gè)按鍵操作提供穩(wěn)定可靠和最佳的性能，同時(shí)降低符合RF匹配要求的設(shè)計(jì)成本和復(fù)雜性。使用Si4010自動(dòng)天線調(diào)諧特性的遙控器能夠可靠和穩(wěn)定運(yùn)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(shè)備，特別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(shí)發(fā)現(xiàn)，超過(guò)99%的時(shí)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)用的理想選擇。此外，具有觸摸喚醒功能的GPIO特性進(jìn)一步減少了遙控器的電流消耗，延長(zhǎng)了電池壽命。

圖3：Si4010電池壽命計(jì)算實(shí)例

在傳輸期間，輸出功率為+10dBm時(shí)，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(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(gè)例子沒(méi)有包括電池的漏電情況，但它確實(shí)說(shuō)明了Si4010發(fā)射功耗低的特性和低待機(jī)電流的重要性。Si4010發(fā)射器的超低待機(jī)電流比許多現(xiàn)存解決方案低一個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)于延長(zhǎng)遙控器電池壽命來(lái)說(shuō)這一區(qū)別點(diǎn)非常重要。

所有遙控器設(shè)計(jì)的最重要考慮因素之一，是最大限度地減小系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本，這受到除元件成本外許多因素的影響，包括勞動(dòng)力成本、庫(kù)存、測(cè)試和制造產(chǎn)量。到目前為止，市場(chǎng)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發(fā)射器，如圖4所示。

圖4：基于SAW遙控發(fā)射器的簡(jiǎn)化原理圖

這種設(shè)計(jì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被廣泛接受，主要是因?yàn)槠涞统杀竞秃?jiǎn)單。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提供輸出功率放大和穩(wěn)定運(yùn)行所需的隔離功能。來(lái)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(hào)，來(lái)自MCU的GPIO6提供電壓 (VCC)到基于SAW的發(fā)射器。整個(gè)解決方案使用24個(gè)外部元件，包括MCU、一個(gè)旁路電容、為MCU提供時(shí)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(wàn)數(shù)量級(jí))。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(lái)看，較多的BOM數(shù)量增加了其他成本，如勞動(dòng)力成本、庫(kù)存和測(cè)試等費(fèi)用，并降低了產(chǎn)量。

雖然基于SAW的發(fā)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)有許多缺點(diǎn)。除了大量RF組件所帶來(lái)的較高系統(tǒng)成本外，基于SAW的發(fā)射器還有如下缺點(diǎn)：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(duì)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。基于專利技術(shù)的Si500硅振蕩器，其專利的無(wú)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(wú)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(dá)+10dBm的可編程PA，自動(dòng)天線調(diào)諧和為滿足FCC、ETSI和 ARIB無(wú)線電頻率法規(guī)要求的PA邊沿速率控制。嵌入式8051 MCU為進(jìn)行快速處理而進(jìn)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(kù)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(jī)電流以及觸摸喚醒操作，使得Si4010成為紐扣電池應(yīng)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(gè)使用Si4010的遙控器原理圖，帶有一個(gè)可選的LED燈用于按鍵操作時(shí)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(wú)需任何RF元件，因?yàn)樗性技稍诹诵酒瑑?nèi)部。此外，Si4010器件的自動(dòng)天線調(diào)諧功能保證了穩(wěn)定可靠的輸出功率，并且通過(guò)放寬制造工藝中的公差范圍(因?yàn)楦呔_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(jiǎn)圖

使用Si4010設(shè)計(jì)的遙控器克服了傳統(tǒng)RF發(fā)射器所面臨的許多問(wèn)題。Si4010利用天線調(diào)諧特性消除了困難且繁瑣的RF匹配問(wèn)題，同時(shí)也降低了高成本的RF設(shè)計(jì)費(fèi)用，縮短了上市時(shí)間。硬件設(shè)計(jì)的任務(wù)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(jìn)行合理布局和布線。圖7是434MHz Si4010遙控器PCB板。

使用集成在12kB ROM中的Si4010發(fā)射器函數(shù)庫(kù)進(jìn)行遙控器軟件開(kāi)發(fā)是非常容易的。該庫(kù)包括按鍵服務(wù)、AES加密、編碼模塊、電池電壓檢測(cè)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(yīng)用中Si4010控制流程圖。安裝電池或通過(guò)按鍵從待機(jī)模式喚醒后，Si4010自動(dòng)啟動(dòng)引導(dǎo)過(guò)程，它從非易失性存儲(chǔ)器中復(fù)制用戶代碼到RAM中，然后運(yùn)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(shí)器、外設(shè)等)，然后模擬部分使用ROM庫(kù)中的函數(shù)進(jìn)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(jí)、載波頻率等都在這個(gè)階段設(shè)定。

當(dāng)初始化完成后，程序進(jìn)入主循環(huán)并監(jiān)視按鍵操作，進(jìn)行事件處理。依賴于哪一個(gè)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(guān)閉并轉(zhuǎn)入超低功耗待機(jī)狀態(tài)。在待機(jī)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(kāi)始處理。