如何使用高集成度SoC发射器简化RF遥控器设计

射频(RF)遥控器设计从未如此简单，这多亏了高集成度、单芯片RF解决方案的出现。片上系统(System-on-chip, SoC)发射器解决方案，如世强代理的Silicon Labs的Si4010单芯片遥控器集成电路(IC)大大简化了遥控器设计过程，降低了系统物料 (BOM)成本(通过去除大量分立元件)。 

 

图1：Si4010天线调谐框图

Si4010发射器——Silicon Labs EZRadio ®无线产品线的成员之一，是业界第一款单芯片遥控器IC，只需要一个外部旁路电容、一块印刷电路板(PCB)、电池和一块带按键的外壳，即可构成一个完整的遥控器。Si4010包括专利的天线调谐电路，为每一个按键动作自动微调天线至最佳发射功率。传统的遥控器设计中，RF发射器差异、组件和天线制造公差以及周围环境导致天线效率较低、输出能量浪费严重。图1是Si4010功率放大器和天线调谐电路的结构简图。 

Si4010发射器是一款完整的片上系统(SoC)遥控器IC，基于专利技术的Si500硅振荡器，它的专利技术的无晶体架构可获得±150ppm的载波频率精度(商业温度范围)，±250ppm的载波频率精度(工业温度范围)，是传统低成本基于SAW发射器(无外部晶体)频率精度的2倍。Si4010可在27-960MHz的连续频率范围内工作，并且包括可编程的最大输出功率+10dBm的功率放大器(PA)，自动天线调谐和为满足FCC、ETSI和ARIB无线电频率法规要求的PA边沿速率控制。嵌入式8051 MCU为进行快速处理而进行了指令优化，具有512B内部RAM、4kB RAM，8kB OTP NVM、128b EEPORM, 12kB 函数库ROM和硬件加速的128b AES加密逻辑。1.8-3.6V供电范围、比超低功耗(10nA)还少的待机电流以及触摸唤醒操作，使得Si4010成为纽扣电池应用的理想选择。图2是Si4010 SoC 发射器框图。

 

图2：Si4010框图

Si4010通过调整片上与天线电感产生共振的可变电容器最大化发射天线效率。这些自动的电容器调整通过补偿天线匹配电路的失谐最大化遥控器的发射功率，通过允许放宽PCB天线制造公差降低设计成本。 

功率放大器(PA)包含一个反馈回路，通过监视PA输出电压、调整PA电流驱动以补偿天线阻抗的变化，从而维持稳定的输出功率。尽管有温度变化和“手效应”的影响，反馈回路有效维持稳定输出功率，正如上文所述，当一个人手持遥控器时将改变天线阻抗。天线调谐的最终结果是为每个按键操作提供稳定可靠和最佳的性能，同时降低符合RF匹配要求的设计成本和复杂性。使用Si4010自动天线调谐特性的遥控器能够可靠和稳定运行，在满足政府发射限制下提供最大发射距离。 

电池寿命是任何便携式电子设备，特别是遥控器的重要考虑因素。当我们考虑典型的遥控器使用方式时发现，超过99%的时间里，遥控器处于等待用户按键操作的状态。在此期间，Si4010功耗小于10nA(室温下)，这使其成为电池供电应用的理想选择。此外，具有触摸唤醒功能的GPIO特性进一步减少了遥控器的电流消耗，延长了电池寿命。

 

 

图3：Si4010电池寿命计算实例

图3 是典型遥控器应用中Si4010功耗实例(使用CR2032电池，最大发射功率+10dBm)。 在传输期间，输出功率为+10dBm时，Si4010在OOK调制模式耗电14.2mA或在FSK调制模式下耗电19.8mA。如果我们假设如下情形：1kBaud数据传输率、曼彻斯特编码、每数据包100bit、每次按键重复发送3次，则我们得到如下结论：在每天50次按键、连续5年操作条件下，OOK调制模式下仅消耗CR2032(220mAH)电池电量的52%；FSK调制模式下消耗CR2032电池电量的71%。 

虽然这个例子没有包括电池的漏电情况，但它确实说明了Si4010发射功耗低的特性和低待机电流的重要性。Si4010发射器的超低待机电流比许多现存解决方案低一个数量级，对于延长遥控器电池寿命来说这一区别点非常重要。 

   

图4： Si4010的遥控器原理图

图4是一个使用Si4010的遥控器原理图，带有一个可选的LED灯用于指示按键操作。遥控器总的物料清单(不包括可选的LED灯)包括一颗Silicon Labs Si4010 IC、一颗旁路电容、PCB板载天线(trace antenna)和电容。不但Si4010总的物料数量少于基于SAW发射器的(3 对24)，而且Si4010也无需任何RF元件，因为所有都集成在芯片内部。高集成度的Si4010降低了系统总BOM，从基于SAW发射器的24个降到仅仅3个元件。BOM减小大大降低了劳动力成本、库存和测试成本，而且可大大提高生产产量。此外，Si4010器件的自动天线调谐功能保证稳定可靠的输出功率，并且通过放宽制造工艺中的公差范围，降低了系统成本(因为高精确的天线匹配不再需要)。 

使用Si4010设计的遥控器克服了传统RF发射器所面临的许多问题。Si4010利用天线调谐特性消除了困难且繁琐的RF匹配问题，同时也降低了高成本的RF设计费用，缩短了上市时间。硬件设计的任务降低到：为给定遥控器几何形状选择最佳的PCB天线，为Si4010、PCB板载天线、旁路电容、按键和电池进行合理布局和布线。

总之，Si4010是具有革命性的发射器，可为遥控器市场提供最低成本的系统解决方案。完全成本效益的遥控器可使用Si4010、电池、印刷电路板和按钮设计完成。到目前为止，没有其它发射器解决方案可与高集成度的Si4010相媲美。此外，Si4010性能卓越，其先进的射频性能使得每个按键操作都可通过自动天线调谐保证最大传输距离。Si4010也非常易用，设计简便，从而缩短上市时间。