基于HopeRF的CMT2156A的無(wú)線(xiàn)自發(fā)電開(kāi)關(guān)應用

0   引言

華普微公司的CMT2156A 是一款針對微能量收集并進(jìn)行發(fā)射的單芯片，內嵌可配置編碼的高性能OOK射頻發(fā)射器，支持（240~480）MHz 的能量手機無(wú)線(xiàn)發(fā)射的應用。該芯片集成的編碼器兼容市面上最常用的1527、2262 編碼格式，還支持自定義靈活性更高的1920 編碼，與華普微CMT221x 系列單接收射頻芯片配對使用，可以實(shí)現低成本且環(huán)保的免電池、免布線(xiàn)電子遙控產(chǎn)品。

1   無(wú)線(xiàn)自發(fā)電開(kāi)關(guān)與傳統方案的對比：

2   無(wú)線(xiàn)自發(fā)電開(kāi)關(guān)系統結構及原理

無(wú)線(xiàn)自發(fā)電開(kāi)關(guān)無(wú)需接入電池、電源等供電設備，完全通過(guò)開(kāi)關(guān)的機械動(dòng)作自主發(fā)電產(chǎn)生工作能量。

基本原理是電磁感應，通過(guò)手按動(dòng)、撥動(dòng)、轉動(dòng)開(kāi)關(guān)的動(dòng)作來(lái)操作磁條切割線(xiàn)圈來(lái)產(chǎn)生電能，產(chǎn)生的電能驅動(dòng)后端的功能、射頻電路工作，具體見(jiàn)圖1。

圖1 無(wú)線(xiàn)自發(fā)電開(kāi)關(guān)原理

無(wú)線(xiàn)自發(fā)電開(kāi)關(guān)系統根據功能的簡(jiǎn)單到高級，常見(jiàn)的系統設計有3 種：

1）單路簡(jiǎn)易無(wú)線(xiàn)遙控應用如圖2。典型應用：?jiǎn)温窡艨亻_(kāi)關(guān)、門(mén)禁開(kāi)關(guān)、報警開(kāi)關(guān)等。

2）單路多功能無(wú)線(xiàn)遙控應用如圖3。典型應用：無(wú)線(xiàn)門(mén)鈴。

3）多路遙控應用如圖4。典型應用：多路燈控開(kāi)關(guān)、多功能開(kāi)關(guān)組、電器控制開(kāi)關(guān)幾遙控開(kāi)關(guān)等。

3   基于華普微CMT2156A的動(dòng)能開(kāi)關(guān)設計

3.1 CMT2156A的參數特性

1) 微能量收集部分

●   內嵌整流橋支持微能量電機直接接入；

●   內嵌高效DC-DC Buck 電路，效率高達95%；

●   支持發(fā)電機抬起檢測，可實(shí)現首次電量存儲至抬起發(fā)射；

●   內置PSM 功耗管理，可根據負載需求，調節自身功耗，以節省能量。

2) 高頻編碼發(fā)射部分：

●   頻率：（240~480）MHz（CMT2159A 支持Sub-1GHz）

●   速率：OOK：（0.5~40）kbps

FSK / GFSK：（0.5~200）kbps（僅CMT2159A）

●   輸出功率：高達13 dBm，單端PA 輸出

●   編碼方式：支持1527 編碼，1920 編碼

3.2 CMT2156A的功能模塊圖[1]如圖5。

1）為了減少外圍元件數，CMT2156A 采用單引腳晶體振蕩電路，晶體振蕩所需的負載電容集成在芯片內部。

2） 在每次上電復位（POR）時(shí)，芯片內部的模擬模塊都根據內部基準電壓源校準，可以讓芯片在不同溫度計電壓下更好地工作。

3） 數據發(fā)射由按鍵動(dòng)作觸發(fā)，所發(fā)射的數據調制后通過(guò)一個(gè)高效功率放大器發(fā)射出去， 發(fā)射功率在（-10~13）dBm范圍內， 以1 dB步進(jìn)進(jìn)行設置。

4）用戶(hù)可以通過(guò)USB Programmer 和RFPDK 將頻率、輸出功率及其他產(chǎn)品參數燒錄到芯片內置EEPROM中，以簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)，降低成本。用戶(hù)也可以直接用433.92 MHz 等默認參數的現貨庫存直接生產(chǎn)，免除生產(chǎn)燒錄環(huán)節。

圖5 CMT2156A的功能模塊圖

3.3 CMT2156A的應用設計^[2]

硬件參考設計圖如圖6 所示。

圖6 硬件參考設計圖

1）單端輸出匹配電路設計說(shuō)明

●   L1 是取能（Chock，扼流）電感。

●   C8，用于減小PA 輸出對電源的影響。用戶(hù)應根據使用環(huán)境適當選用。

●   C1 是隔直電容，同時(shí)與L2 中的部分電抗形成諧振選頻。

●   ANT 天線(xiàn)，CMOSTEK 提供的DEMO 板用的是膠棒天線(xiàn)。實(shí)際應用中，用戶(hù)可根據實(shí)際需要替換為PCB 天線(xiàn)、導線(xiàn)天線(xiàn)或彈簧天線(xiàn)等其他類(lèi)型的天線(xiàn)。需要注意的是，不同的天線(xiàn)會(huì )影響到匹配網(wǎng)絡(luò )及各元件值的選取。

2）晶體電路設計說(shuō)明

●   晶體應該盡量靠近CMT215xA/56B，以減少走線(xiàn)寄生電容。這可以有效降低頻率偏差的可能。

●   晶體應盡可能遠離PA 輸出、天線(xiàn)及數字走線(xiàn)，并在其周?chē)M可能多鋪地。這樣可有效降低晶體被PA輸出干擾的可能。

●   晶體金屬外殼接地（比如說(shuō)49S 插件晶體或柱晶等）。

●   晶體負載電容集成在芯片內，默認為15 pF，片外無(wú)需外掛負載電容，用戶(hù)可以直接選用頻率為26 MHz，負載電容為15 pF 的晶體。為了安全起見(jiàn)，建議用戶(hù)在PCB 上預留測試點(diǎn)，方便在線(xiàn)修改芯片參數。

3）數字信號（包括 DATA 和CLK）設計說(shuō)明

●   數字信號應盡量遠離XTAL 和RF 走線(xiàn)。

●   數字信號應盡可能用鋪地圍起來(lái)，以減少相互串擾。

4）電源及地設計說(shuō)明為了減輕電源上的噪聲/ 紋波對芯片的影響，以及PA 輸出對電源的影響， 用戶(hù)應當在芯片的VDDRF 管腳處（C8） 設計濾波電容。

5）PCB 布板細則

●   盡量用大片的連續鋪地設計。

●   地的走線(xiàn)使得電流的回流路徑環(huán)面積最小，以盡量減小從供電環(huán)路向外輻射。

●   芯片底部盡量不要走線(xiàn)，多鋪地，以減小對射頻輸出傳輸線(xiàn)阻抗的連續影響，并增強ESD 性能。

●   PCB 邊沿盡量多打間距不超過(guò)λ/10 的過(guò)孔，以減小PCB 邊沿的高次諧波輻射。

●   盡量避免用長(cháng)和/ 或細的傳輸線(xiàn)來(lái)連接各個(gè)元件。

●   相鄰的電感要相互垂直擺放以減少相互耦合。

●   C0、C5、C8 盡量靠近CMT2156A，以實(shí)現更好濾波效果。

●   晶體X1 盡量靠近芯片，金屬外殼接地，遠離射頻輸出信號和數字信號。

●   C6 與C7 電容可用電解電容與鉭電容，要求耐壓15 V 以上，電容的大小與電機產(chǎn)生電量有關(guān)：電量>400 μJ 的電機，推薦使用C7:100 μF、C6:47 μF；200 μJ< 電量<400 μJ 的電機，推薦使用 C7:68 μF、C6:47 μF；100 μJ < 電量<200 μJ 的電機，推薦使用 C7:47 μF、C6:22 μF。

●   R1 電阻的功能主要在于釋放Power down 時(shí)電路中的電容與電感所存的電荷，使芯片能正常進(jìn)行power up。其大小由L0 與電容的大小及每秒發(fā)射的次數確定，不加R1 電阻或R1 電阻值加得太大，可能按下電機時(shí)會(huì )誤觸發(fā)芯片進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)或導致上電不成功、無(wú)發(fā)射。

6）功耗優(yōu)化考慮說(shuō)明

對功耗要求比較嚴格的發(fā)射應用中，CMT2156A 提供了多種方法來(lái)滿(mǎn)足不同應用場(chǎng)景的需求。具體包括：

a）降低發(fā)射功率：用戶(hù)可通過(guò)2 種方法來(lái)改變發(fā)射功率

● 通過(guò)USB Programmer 和RFPDK 設置TX Power參數改變芯片的發(fā)射功率。

● 在取能電感和電源之間串一個(gè)電阻（圖中未示出），通過(guò)改變電阻值來(lái)調節發(fā)射功率。但是由于電阻的存在，這種方法會(huì )降低發(fā)射效率，所以我們推薦使用改變芯片發(fā)射功率設置的方法改變發(fā)射功率

b）優(yōu)化匹配網(wǎng)絡(luò )

匹配網(wǎng)絡(luò )的目的是把輸出阻抗匹配到天線(xiàn)的阻抗上，不當的阻抗會(huì )降低發(fā)射效率，浪費功耗。根據不同的天線(xiàn)，用戶(hù)應該借助網(wǎng)絡(luò )分析儀等工具和手段，設計一套對于具體應用來(lái)說(shuō)較優(yōu)化的匹配網(wǎng)絡(luò )，以達到提高發(fā)射效率，優(yōu)化功率的目的。

另外，值得注意的是，降低匹配網(wǎng)絡(luò )濾波器的階數，也可以一定程度上提高發(fā)射效率，降低功耗。但是濾波器階數的降低帶來(lái)的是諧波抑制的減弱，所以這種方法適用于對諧波輻射要求不高的應用場(chǎng)合。

c）提高發(fā)射數據率

在同樣包間隔的前提下，提高發(fā)射數據率可以縮短發(fā)射包的時(shí)間，從而降低平均功耗（如圖7）。值得注意的是，數據率的提高可能會(huì )降低接收靈敏度，進(jìn)而影響傳輸距離。

d）控制LED 驅動(dòng)電流

CMT2156A 可以直接驅動(dòng)LED 以指示發(fā)射狀態(tài)或低電壓狀態(tài)。在LED 與VDD 之間串聯(lián)限流電阻，在可接受的亮度條件下盡可能地降低由驅動(dòng)LED 消耗的電流。

7）開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中的EEPROM 燒錄需要用到連接器J1。

圖7 提高發(fā)射數據率，可以縮短發(fā)射包的時(shí)間

4   結束語(yǔ)

CMT2156A 是集成度高的單芯片解決方案，客戶(hù)僅需選擇合適外觀(guān)結構微能量發(fā)電機，并匹配相應儲能電容即可完成設計，降低產(chǎn)品設計難度。目前的分立器件方案設計需要選擇合適結構發(fā)電機、性能好的肖特基二極管作全橋整流，選擇低功耗高效率的DC-DC 電源器件，并根據這些器件選擇進(jìn)行發(fā)射參數的優(yōu)化。其次，產(chǎn)品原理雖然簡(jiǎn)單，但要設計出成本優(yōu)、性能好的產(chǎn)品，需要一個(gè)系統性設計以及反復驗證和測試。而使用CMT2156A 則能大量簡(jiǎn)化這些選型工作，且一致性好。

參考文獻：

[1] CMT2156A Datasheet[Z].CMOSTEK.

[2] AN177 CMT215xx原理圖及PCB版圖設計指南[Z].CMOSTEK.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年7月期）