RF遙控器的簡易設計與應用

由于高度集成的單芯片RF解決方案的出現(xiàn)，設計射頻（RF）遙控器從未如此簡單。片上系統(tǒng)（SoC）發(fā)送器解決方案，例如Silicon Labs的Si4010單芯片遠程控制集成電路（IC），大大簡化了遠程控制設計的過程，并通過消除系統(tǒng)材料清單（BOM）成本來降低需要大量不同的組件。

遙控器有許多不同的尺寸，形狀和無線技術，廣泛用于消費市場，作為各種產品的配件，如電視，視頻游戲，立體聲系統(tǒng)，照明控制和家庭自動化，包括車庫門/開門器，空調機，風扇和帶遙控無鑰匙進入（RKE）鑰匙扣的汽車。

最常見的遙控器使用紅外（IR）技術，因為紅外組件的成本相對較低但是這些基于IR的控制裝置存在許多缺點，包括需要視線指向，有限的操作角度，短的傳輸范圍，反射問題和相關的高電流消耗使用紅外LED，這會導致電池壽命縮短。射頻遙控器解決了這些問題并且出現(xiàn)的數(shù)量更多，因為消費者要求更好的用戶體驗。此外，技術改進正在縮小RF-IR價格差距。

所有RF遙控器都具有共同的特性，如圖1中的簡化框圖所示。 RF遙控器的組件是用戶輸入命令的按鈕，用于將用戶命令處理成數(shù)字消息的微控制器單元（MCU），用于調制和發(fā)送消息的RF發(fā)送器（RF TX），天線和電池為遙控器提供電源。制造商在設計射頻遙控器時面臨的共同挑戰(zhàn)是提供一致的最大傳輸范圍，確保較長的電池壽命并保持較低的系統(tǒng)成本。

圖1：RF遙控器的簡化框圖。

最大化傳輸范圍涉及傳輸盡可能多的功率（在政府法規(guī)限制內），同時為接收器提供出色的靈敏度，因為總傳輸距離是發(fā)射器的函數(shù)輸出功率和接收器的靈敏度。從遙控器方面來看，設計目標是將RF輸出功率設置為政府限制，這意味著所有遙控器應具有相同的輸出性能，因為它們都在相同的限制范圍內傳輸。這在理想的世界中是正確的，但是，在具有實際部件和制造公差的現(xiàn)實世界中，每次使用生產線上制造的每個遙控器以這種最佳功率進行傳輸實際上是不可能的。此外，在握住遙控器或甚至觸摸按鈕時來自用戶的手的干擾（稱為“手部效應”）改變了天線的阻抗并因此改變了發(fā)射輸出功率。這種現(xiàn)實效應可以降低遙控器的有效輻射功率（ERP），并且容易導致輸出功率低于政府限制6 dB，每個Friis的自由空間路徑損耗公式的傳輸距離相應減少2倍。

Si4010變送器是Silicon Labs的EZRadio?系列無線產品的最新成員，是業(yè)界首款單芯片遠程控制IC，僅需一個外部旁路電容，印刷電路板（PCB），電池和帶有按鈕的外殼，形成完整的遙控器。 Si4010包含一個獲得專利的天線調諧電路，可自動微調天線，以便在每次按鍵時獲得最佳的發(fā)射功率。對于標準遙控設計，RF發(fā)射器，組件和天線制造公差以及環(huán)境的變化可能導致大的天線效率低下和浪費的功率。圖2顯示了Si4010功率放大器和天線調諧電路的簡化框圖。 Si4010通過調節(jié)片上可變電容器來最大化發(fā)射器天線效率，以與天線的電感共振。這些自動電容調整通過補償天線匹配電路中的不匹配來最大化遙控器的發(fā)射功率，并通過放寬PCB天線中的制造公差來降低設計成本。

圖2：Si4010天線調諧框圖。

功率放大器（PA）內置一個額外的反饋環(huán)路，通過監(jiān)測PA輸出端的電壓并調節(jié)PA的電流驅動來補償輸出功率。天線阻抗的變化。該反饋回路用于在溫度變化和“手部效應”的情況下保持恒定的輸出功率，如上所述，當人的手覆蓋遙控器時，其改變天線阻抗。天線調諧的最終結果是在每個按鈕按壓時提供始終如一的可靠和最佳性能，同時降低RF匹配要求的成本和設計復雜性。采用Si4010自動天線調諧功能設計的遙控器可在政府傳輸限制下可靠，一致地工作，以實現(xiàn)最大傳輸范圍。

電池壽命是任何便攜式電子設備，尤其是遙控器的重要考慮因素。當我們考慮典型的遙控器使用時，超過99％的時間，遙控器正在等待用戶激活按鈕按下。在此期間，Si4010在室溫下的功耗低于10 nA，是電池供電應用的理想選擇。此外，觸摸喚醒GPIO可進一步降低遙控器的電流消耗并延長電池壽命。圖3顯示了典型遠程控制應用中使用的Si4010的功耗示例，其中CR2032電池最大傳輸功率為+10 dBm。

在傳輸過程中，Si4010在開關鍵控（OOK）模式下消耗14.2 mA，在頻移鍵控（FSK）模式下消耗19.8 mA，同時以+10 dBm輸出功率進行傳輸。如果我們假設發(fā)送器以1 kBaud的數(shù)據(jù)速率發(fā)送，則數(shù)據(jù)是曼徹斯特編碼的，每個數(shù)據(jù)包長100位，每按一次按鈕重復三次，然后我們得到以下結果：每天按50次按鈕連續(xù)五年，我們在OOK模式下使用220 mAhr CR2032電池僅占52％的電量，在FSK模式下使用71％的電量。

圖3：使用Si4010計算電池壽命示例。雖然此示例不包括電池的自泄漏，但它確實說明了Si4010變送器的低功耗特性以及低待機電流的重要性。 Si4010變送器的超低待機電流比許多現(xiàn)有解決方案低一個數(shù)量級，是延長遙控器電池壽命的重要差異因素。

任何遙控設計中最重要的考慮因素之一是最小化系統(tǒng)設計成本受組件成本以外的諸多因素影響，包括人工，庫存，測試和制造產量。到目前為止，目前市場上占主導地位的低成本射頻遙控解決方案使用MCU和基于表面聲波（SAW）的射頻發(fā)射器，如圖4所示。

這種設計拓撲結構的廣泛接受主要源于其低成本和簡單性。 SAW器件與Colpitts振蕩器結構中的晶體管Q1諧振以形成載波頻率，并且晶體管Q2提供穩(wěn)定操作所需的輸出功率放大和隔離。來自MCU的數(shù)據(jù)直接應用于SAW諧振器以形成OOK調制信號，來自MCU的GPIO6將電壓（VCC）提供給基于SAW的發(fā)送器。整個解決方案使用24個外部元件，包括MCU，一個旁路電容，一個用于為MCU提供時鐘的石英晶體，以及一個帶有跟蹤天線和電容的PCB。它的RF組件成本（不包括PCB，MCU和旁路電容器）在100，000單位體積中為0.77美元。 0.77美元的RF BOM成本不包括MCU，旁路電容或PCB的成本。傳統(tǒng)上，這是可靠RF傳輸?shù)淖畹徒M件成本解決方案。從系統(tǒng)成本的角度來看，大的BOM數(shù)會增加其他成本，例如人工，庫存和測試，并降低制造產量。

盡管基于SAW的變送器因其組件成本低而廣泛用于遠程控制，但是這項舊技術的許多缺點。除了來自大量RF BOM組件的高系統(tǒng)成本之外，基于SAW的發(fā)射器還具有差的載波頻率精度，單頻操作，僅OOK調制，不一致的性能，對組件容差的敏感性和低制造產量。

相比之下，Si4010發(fā)射器是一個完整的片上系統(tǒng)（SoC）遙控IC?；诔墒斓腟i500硅振蕩器，其獲得專利的無晶體架構在商用溫度范圍內實現(xiàn)了±150 ppm的載波頻率精度，在工業(yè)溫度范圍內實現(xiàn)了±250 ppm，這是傳統(tǒng)低成本SAW發(fā)射器的兩倍精度沒有外部水晶。該器件工作在27至960 MHz的連續(xù)頻率范圍內，包括可編程功率放大器（PA），輸出功率高達+10 dBm，自動天線調諧和PA邊沿速率控制，符合FCC，ETSI和ARIB無線電頻率法規(guī)。嵌入式8051 MCU針對快速吞吐量進行指令優(yōu)化，配備512字節(jié)內部數(shù)據(jù)RAM，4 kB RAM，8 kB OTP NVM，128位EEPROM，12 kB ROM功能庫和硬件加速128比特AES加密算法。該器件的1.8至3.6 V電源范圍，低待機電流低于超低功耗（10 nA）和觸摸喚醒操作，使Si4010成為紐扣電池應用的理想選擇。圖5顯示了Si4010發(fā)送器SoC的框圖。

圖5：Si4010框圖。圖6顯示了使用Si4010和可選LED指示何時按下按鈕的遙控器原理圖。該遙控器的總BOM組件（不包括可選LED）是單個Silicon Labs的Si4010 IC，一個旁路電容，以及帶有PCB走線天線和電容的PCB。 Si4010的總BOM組件不僅遠低于基于SAW的發(fā)射器（3與24相比），Si4010也沒有任何RF組件，因為它們都集成在IC中。 Si4010的高集成度將總系統(tǒng)BOM從過去使用基于SAW的變送器的24個組件減少到僅僅三個組件。這種BOM減少大大減少了人工，庫存和測試成本，并大大提高了制造產量。此外，Si4010器件的自動天線調諧功能可確保始終如一的可靠輸出功率，并通過使用寬松公差制造工藝降低成本，因為不再需要高精度天線匹配。

圖7：使用Si4010Si4010的434 MHz遠程控制PCB。使用存儲在12 kB ROM中的Si4010變送器的遠程控制功能庫，開發(fā)遠程控制應用程序非常簡單。該庫包括按鈕服務程序，AES加密，編碼模塊，電池電壓測量和其他有用的遠程控制功能，以減少代碼大小和加快產品上市時間。

圖8顯示了遠程控制應用中使用的Si4010的流程圖。當電池插入或從按鈕按下從待機模式喚醒時，Si4010自動開始將用戶代碼從非易失性存儲器（NVM）復制到RAM，然后運行用戶代碼的啟動過程。啟動后，首先初始化器件的數(shù)字模塊（MCU，中斷，定時器，外設等），然后使用ROM庫中的功能初始化模擬模塊。例如，在該階段期間設置調制類型（OOK或FSK），數(shù)據(jù)速率，PA發(fā)送電平，載波頻率等。

圖8：Si4010遠程控制流程圖。

初始化完成后，程序進入主循環(huán)，監(jiān)控GPIO按下按鈕并管理事件處理。根據(jù)按下的按鈕，程序決定做什么，然后根據(jù)按下按鈕組裝適當?shù)臄?shù)據(jù)包。然后，Si4010微調頻率并發(fā)送數(shù)據(jù)包。一旦傳輸信息，它就會關閉并返回超低功耗待機狀態(tài)。在待機模式下，芯片在25°C時的功耗低于10 nA，可以從任何GPIO按鍵喚醒，再次開始此過程。總之，Si4010是一款革命性的變送器，可提供最低的系統(tǒng)成本解決方案。遙控市場?？梢允褂肧i4010，電池，PCB和按鈕設計完整的經濟型遙控器。目前沒有其他可用的發(fā)射器解決方案與Si4010 IC的高級片上集成相匹配。此外，Si4010具有卓越的性能和先進的射頻功能，包括自動天線調諧，以確保每次按下按鈕時的最大傳輸距離。 Si4010變送器也非常易于使用，降低了設計復雜性，從而縮短了產品上市時間。