超低功耗RF設計考量揭密

盡管仍處于起步階段，但短距離射頻的前景看來(lái)一片光明。而推動(dòng)該市場(chǎng)不斷擴張的催化劑將會(huì )是超低功耗技術(shù)。在這個(gè)每星期出貨量高達數千萬(wàn)顆的短距、低功耗射頻市場(chǎng)中，採用2.4GHz ISM頻段的技術(shù)仍居主流，包括Wi-Fi、藍牙、ZigBee，當然，這個(gè)領(lǐng)域還包括了其他多種尚未成熟的無(wú)線(xiàn)技術(shù)。未來(lái)幾年內，我們的生活周遭可能會(huì )出現許多令人印象深刻無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)。

　　短距無(wú)線(xiàn)市場(chǎng)的主要趨勢之一，是超低功耗（ULP）無(wú)線(xiàn)應用的大規模擴展。這種應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(shí)被喚醒以便快速地連續發(fā)送數據，而后再回到nA等級耗電量的‘休眠’狀態(tài)。ABI Research統計，2010年無(wú)線(xiàn)感測器網(wǎng)路（WSN）晶片市場(chǎng)成長(cháng)了300%；而在2016年，醫療保健和個(gè)人健身設備採用的藍牙低功耗晶片出貨量將會(huì )超過(guò)4.67億顆。

　　任何一種可攜式電子產(chǎn)品或設備都能添加超低功耗無(wú)線(xiàn)連接特性，從微型醫療/健身感測器、手機、電腦、機械工具、汽車(chē)都包括在內。微型ULP收發(fā)器能夠直接與數以千計的其他設備直接通訊，或是作為網(wǎng)路的一部份，從而強化產(chǎn)品的實(shí)用性。

　　然而，對多數工程師而言，RF設計仍然是一種黑色藝術(shù)。RF設計確實(shí)不平凡，但現代的晶片供應商和開(kāi)發(fā)工具套件將協(xié)助設計師發(fā)揮更多設計技巧。本文將描述ULP無(wú)線(xiàn)技術(shù)、晶片，并探討如何更好地運用它們。

　　超低功耗無(wú)線(xiàn)揭密

　　超低功耗無(wú)線(xiàn)技術(shù)不同于所謂的低功耗的短程無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，如藍牙（目前業(yè)界將之稱(chēng)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區別）。超低功耗無(wú)線(xiàn)技術(shù)所需的操作電源顯著(zhù)減少，能賦予許多設計精巧的可攜式設備無(wú)線(xiàn)連接能力。

　　傳統藍牙的電力需求較大，甚至當使用者資料傳輸量不大時(shí)，也幾乎會(huì )獨占電池。這種電力需求代表著(zhù)傳統藍牙對‘低頻寬、長(cháng)壽命’的應用而言并非理想的無(wú)線(xiàn)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）運作數個(gè)月甚至數年的時(shí)間。這些鈕扣電池體積小，價(jià)格便宜，但儲能量很有限，通常在90～240mAh之間。與之相比，假設平均漏電流為一顆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(wú)線(xiàn)鏈路的主動(dòng)工作週期（active duty cycle）。例如，一顆220mAh的CR2032鈕扣電池，若持續使用至少一年（220mAh/（24hr x 365day）），則可維持的最大額定電流僅25μA（或放電率）。

　　ULP硅無(wú)線(xiàn)電晶片則可實(shí)現僅數十毫安（milliamps）的峰值電流，以Nordic的nRF24LE1 2.4GHz收發(fā)器為例，在傳送時(shí)僅11.1mA（0dBm輸出功率）；接收時(shí)則僅13.3mA（速率2Mbps）。如果能在很長(cháng)時(shí)間內將平均電流限制在數十微安，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。

不同的應用

　　如果收發(fā)器有99.75%的時(shí)間都在休眠，一旦必須喚醒時(shí)，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(huì )直接與Wi-Fi和傳統藍牙應用展開(kāi)競爭。然而，ULP無(wú)線(xiàn)卻已開(kāi)啟了極廣泛的嶄新應用。這些應用包羅萬(wàn)象。ULP無(wú)線(xiàn)已經(jīng)大舉進(jìn)入體育、健康、娛樂(lè )、PC週邊、遙控、游戲、手機配件，家庭自動(dòng)化和工業(yè)控制等領(lǐng)域，且未來(lái)幾年還將延伸到更多其他市場(chǎng)。

　　這些應用的共同點(diǎn)便在于能讓ULP無(wú)線(xiàn)技術(shù)發(fā)揮它的實(shí)力。這些應用設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(shí)間發(fā)送極少量的數據（通常僅數位元）。然而，根據不同的應用類(lèi)別，對ULP無(wú)線(xiàn)的設計需求仍不盡相同，如帶有可監控速度和距離的性能感測器、射頻遠端控制設備，以及像心律監控等醫療用感測器的自行車(chē)電腦、