超低功耗RF設(shè)計考量揭密 - 全文

　　盡管仍處于起步階段，但短距離射頻的前景看來一片光明。而推動該市場不斷擴張的催化劑將會是超低功耗技術(shù)。在這個每星期出貨量高達數(shù)千萬顆的短距、低功耗射頻市場中，採用2.4GHz ISM頻段的技術(shù)仍居主流，包括Wi-Fi、藍牙、ZigBee，當(dāng)然，這個領(lǐng)域還包括了其他多種尚未成熟的無線技術(shù)。未來幾年內(nèi)，我們的生活周遭可能會出現(xiàn)許多令人印象深刻無線連接技術(shù)。

　　短距無線市場的主要趨勢之一，是超低功耗（ULP）無線應(yīng)用的大規(guī)模擴展。這種應(yīng)用的特徵是採用由鈕扣型電池供電的微型RF收發(fā)器，在需要時被喚醒以便快速地連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，而后再回到nA等級耗電量的‘休眠’狀態(tài)。ABI Research統(tǒng)計，2010年無線感測器網(wǎng)路（WSN）晶片市場成長了300%；而在2016年，醫(yī)療保健和個人健身設(shè)備採用的藍牙低功耗晶片出貨量將會超過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線連接特性，從微型醫(yī)療/健身感測器、手機、電腦、機械工具、汽車都包括在內(nèi)。微型ULP收發(fā)器能夠直接與數(shù)以千計的其他設(shè)備直接通訊，或是作為網(wǎng)路的一部份，從而強化產(chǎn)品的實用性。

　　然而，對多數(shù)工程師而言，RF設(shè)計仍然是一種黑色藝術(shù)。RF設(shè)計確實不平凡，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)計師發(fā)揮更多設(shè)計技巧。本文將描述ULP無線技術(shù)、晶片，并探討如何更好地運用它們。

　　超低功耗無線揭密

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

　　傳統(tǒng)藍牙的電力需求較大，甚至當(dāng)使用者資料傳輸量不大時，也幾乎會獨占電池。這種電力需求代表著傳統(tǒng)藍牙對‘低頻寬、長壽命’的應(yīng)用而言并非理想的無線解決方案。

　　相較之下，超低功耗RF收發(fā)器可以運用鈕扣電池（如CR2032或CR2025）運作數(shù)個月甚至數(shù)年的時間。這些鈕扣電池體積小，價格便宜，但儲能量很有限，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電池的儲能量至少有10～12倍。

　　如此低的儲能量嚴重限制了ULP無線鏈路的主動工作週期（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硅無線電晶片則可實現(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，在傳送時僅11.1mA（0dBm輸出功率）；接收時則僅13.3mA（速率2Mbps）。如果能在很長時間內(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等級休眠模式。

　　不同的應(yīng)用

　　如果收發(fā)器有99.75%的時間都在休眠，一旦必須喚醒時，往往很難立即正常運作。而ULP收發(fā)器的特色之一便是能迅速喚醒，傳送極短但相對頻寬較高的‘bursts’資料‘（高達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)器并不會直接與Wi-Fi和傳統(tǒng)藍牙應(yīng)用展開競爭。然而，ULP無線卻已開啟了極廣泛的嶄新應(yīng)用。這些應(yīng)用包羅萬象。ULP無線已經(jīng)大舉進入體育、健康、娛樂、PC週邊、遙控、游戲、手機配件，家庭自動化和工業(yè)控制等領(lǐng)域，且未來幾年還將延伸到更多其他市場。

　　這些應(yīng)用的共同點便在于能讓ULP無線技術(shù)發(fā)揮它的實力。這些應(yīng)用設(shè)備通常採用小型感測器和週邊以及小型電池，每隔幾秒或固定時間發(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ULP無線的設(shè)計需求仍不盡相同，如帶有可監(jiān)控速度和距離的性能感測器、射頻遠端控制設(shè)備，以及像心律監(jiān)控等醫(yī)療用感測器的自行車電腦、就需要與PC週邊截然不同的工程方案。

　　簡單來說，無線連接需要一個無線電（收發(fā)器）、協(xié)議（用來控制無線電通訊的軟體程式碼或堆疊），以及應(yīng)用處理器（擁有自己的程式碼以監(jiān)控特殊應(yīng)用，如心律監(jiān)控）。以下將探討這些要素如何影響無線系統(tǒng)的效率、尺寸和成本。

　　我們以兩個範例進行說明：一個無線滑鼠和一個自行車電腦。無線滑鼠的設(shè)計看來較簡單，但它需要應(yīng)用到大量的超低功耗RF。無線滑鼠製造商需要一種精巧、高效且低成本的連接方案。換句話說，他們希望開發(fā)出所有消費者都買得起、功能強大電池壽命長的無線滑鼠。

　　針對這種應(yīng)用，最佳方案是一顆系統(tǒng)單晶片（SoC），它在單顆晶片上整合了無線電、工廠提供的協(xié)議和應(yīng)用處理器。而極大的應(yīng)用量則抵銷了廠商投注的高昂NRE成本。此外，供應(yīng)商還能最佳化軟硬體性能，以滿足目標應(yīng)用需求。

　　對滑鼠製造商來說，他們毋須浪費時間和金錢開發(fā)、選擇或購買外部處理器和相關(guān)的開發(fā)工具套件，以及撰寫程式碼。收發(fā)器供應(yīng)商在開發(fā)SoC時便已完成一部份工作了。

　　以Nordic公司的nRF24LE1 SoC為例，該元件瞄準桌上型週邊市場，內(nèi)含Nordic公司的nRF24L01 + 2.4GHz超低功耗收發(fā)器、用于快閃記憶體或一次可編程（OTP）記憶體中的Gazell軟體協(xié)議堆疊、增強型8位元微控制器。這種單晶片元件尺寸僅5x5毫米，可應(yīng)用在小型無線滑鼠設(shè)計中。

　　另一款nRF24LU1+晶片組則整合了Nordic nRF24L01+收發(fā)器、USB 2.0相容設(shè)備控制器，、快閃記憶體（或OTP）和一個8位元微控制器，可插入主PC的USB埠提供無線鏈接。nRF24LU1+能讓PC週邊製造商開發(fā)出微型USB dongle設(shè)備（圖1）。

　　圖1：nRF24LU1+能讓PC週邊製造商開發(fā)出微型USB dongle。

　　單晶片連接

　　SoC為量產(chǎn)型應(yīng)用提供許多優(yōu)勢，但它仍有一些缺點，如高整合SoC的尺寸和成本可能會增加。一顆無線SoC中通常包含一個微控制器，但在許多應(yīng)用中，都已經(jīng)採用微控制器來控制無線應(yīng)用。

　　此外，一些工程師可能會自行選擇微處理器，因此，一些工程師可能會購買價格更低、沒有板載微處理器的收發(fā)器。

　　以一個無線自行車電腦為例，它整合了用于監(jiān)控心律、速度或距離的各式感測器，另外還有許多各式各樣的感測元件、功率計等，讓自行車電腦的組成更加復(fù)雜，因此，這類應(yīng)用通常都已具備可用于監(jiān)控和無線功能的處理器，它們不需要再使用附加嵌入式處理器的無線晶片（圖2）。

　　圖2：Nordic的專用ULP收發(fā)器nRF24AP2，可為自行車單增加無線連接功能。（圖片來源：Suunto）

　　為此，Nordic與合作伙伴ANT Wireless一直致力為自行車開發(fā)適用的無線連接方案。

　　Nordic針對這類應(yīng)用所開發(fā)的nRF24AP2在單晶片中整合了一個2.4GHz ULP收發(fā)器、ANT無線協(xié)議，以及微控制器/處理器介面。這款方案并未包含應(yīng)用處理器，從而節(jié)省成本、功耗并減小尺寸。在實際使用時，nRF24AP2可無縫連接自行車電腦內(nèi)的應(yīng)用處理器，讓應(yīng)用處理器能監(jiān)控設(shè)備的無線連接情況。Nordic將這種方法稱之為‘單晶片連接’。

　　互通性需求

　　從技術(shù)角度來看，採用專用無線連接方案的好處遠勝過採用ZigBee或藍牙，因為製造商能最佳化協(xié)議，而且不會有其他的額外開銷，從而確保更低的功耗和成本。但缺點是缺乏互通性。

　　OEM需要能與其他晶片製造商互通的解決方案。目前通常是由業(yè)界廠商組成的聯(lián)盟，如ZigBee聯(lián)盟，或是像IEEE這類標準組織，以及藍牙SIG等標準協(xié)會負責(zé)制定這些互通性標準?；旧?，這些產(chǎn)品都必須經(jīng)過測試，以獲得特定標準的互通性認證。

　　雖然要製造符合標準的產(chǎn)品，就必須花費時間進行測試及獲得認證，同時會增加產(chǎn)品開發(fā)成本，但可互通的解決方案往往可刺激市場成長。

　　上述的ANT+技術(shù)是可互通ULP無線技術(shù)的其中一個例子。事實上，ANT是由超過220家公司所組成的監(jiān)盟，并已被自行車領(lǐng)域的主要製造商如Garmin和Trek等公司採用，成為實質(zhì)產(chǎn)業(yè)標準。另外，除了Nordic以外，也有其他半導(dǎo)體業(yè)者開始供應(yīng)ANT晶片。然而，迄今在短距無線領(lǐng)域中，藍牙仍然是最成功的一項無線技術(shù)。

　　藍牙向低功耗領(lǐng)域擴展

　　藍牙最新的低功耗版本能運用在採用扭扣型電池供電的設(shè)備中。Nordic因應(yīng)該標準推出的方案是μBlue系列，首款產(chǎn)品nRF8001在一顆5x5mm QFN封裝的32接腳元件中整合了完整的嵌入式無線電、鏈路控制器以及主控端子系統(tǒng)，可用在手錶、感測器和遙控等應(yīng)用中。卡西歐的G-SHOCK藍牙低功耗手表便採用了該晶片。

　　這款手錶是首個採用藍牙低功耗的商用化產(chǎn)品，它能夠連接智慧手機校正時間，其他功能還包括來電、電子郵件、簡訊等提醒等。

　　藍牙SIG表示，未來藍牙低功耗將延伸到更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域中，包括個人化使用者介面（PUID）、遙控、近接警報、電池狀態(tài)警示和心律監(jiān)控等。

　　除了醫(yī)療保健，藍牙低功耗感測也將可望在公共場所獲得廣泛應(yīng)用。其中一項關(guān)鍵應(yīng)用，便是它能用于室內(nèi)定位（沒有GPS訊號之處）。也就是說，在大型公共建筑，如機場或火車站內(nèi)的感測器能不斷傳送位置資訊給搭載藍牙低功枆的手機，使用者便可得知所在位置資訊。另外，感測器還可以傳送其他資訊，如起飛時間和閘門、各種設(shè)備的具體位置，或是附近商店的特別優(yōu)惠等（圖5）。

　　圖3：Nordic的μBluenRF8001是藍牙低功耗晶片，已用在卡西歐的G-SHOCK藍牙低功耗手錶中。

　　圖4：藍牙低功耗的早期應(yīng)用可能會是體育、醫(yī)療保健和娛樂產(chǎn)業(yè)。

　　圖5：在機場內(nèi)，藍牙低功耗標籤可以被放置在特定位置，讓搭載藍牙晶片的手機使用者得知所在位置。

　　自2011下半年起，陸續(xù)有手機採用藍牙4.0晶片。這也代表著許多令人振奮的新技術(shù)將有機會發(fā)揮潛力。