超低功耗RF設計要點(diǎn)注意

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、就需要與PC週邊截然不同的工程方案。

　　簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，無(wú)線(xiàn)連接需要一個(gè)無(wú)線(xiàn)電（收發(fā)器）、協(xié)議（用來(lái)控制無(wú)線(xiàn)電通訊的軟體程式碼或堆疊），以及應用處理器（擁有自己的程式碼以監控特殊應用，如心律監控）。以下將探討這些要素如何影響無(wú)線(xiàn)系統的效率、尺寸和成本。

　　我們以?xún)蓚€(gè)範例進(jìn)行說(shuō)明：一個(gè)無(wú)線(xiàn)滑鼠和一個(gè)自行車(chē)電腦。無(wú)線(xiàn)滑鼠的設計看來(lái)較簡(jiǎn)單，但它需要應用到大量的超低功耗RF。無(wú)線(xiàn)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(huà)說(shuō)，他們希望開(kāi)發(fā)出所有消費者都買(mǎi)得起、功能強大電池壽命長(cháng)的無(wú)線(xiàn)滑鼠。

　　針對這種應用，最佳方案是一顆系統單晶片（SoC），它在單顆晶片上整合了無(wú)線(xiàn)電、工廠(chǎng)提供的協(xié)議和應用處理器。而極大的應用量則抵銷(xiāo)了廠(chǎng)商投注的高昂NRE成本。此外，供應商還能最佳化軟硬體性能，以滿(mǎn)足目標應用需求。

　　對滑鼠製造商來(lái)說(shuō)，他們毋須浪費時(shí)間和金錢(qián)開(kāi)發(fā)、選擇或購買(mǎi)外部處理器和相關(guān)的開(kāi)發(fā)工具套件，以及撰寫(xiě)程式碼。收發(fā)器供應商在開(kāi)發(fā)SoC時(shí)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(chǎng)，內含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，可應用在小型無(wú)線(xiàn)滑鼠設計中。

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

　　圖1：nRF24LU1+能讓PC週邊製造商開(kāi)發(fā)出微型USB dongle。
單晶片連接

　　SoC為量產(chǎn)型應用提供許多優(yōu)勢，但它仍有一些缺點(diǎn)，如高整合SoC的尺寸和成本可能會(huì )增加。一顆無(wú)線(xiàn)SoC中通常包含一個(gè)微控制器，但在許多應用中，都已經(jīng)採用微控制器來(lái)控制無(wú)線(xiàn)應用。

　　此外，一些工程師可能會(huì )自行選擇微處理器，因此，一些工程師可能會(huì )購買(mǎi)價(jià)格更低、沒(méi)有板載微處理器的收發(fā)器。

　　以一個(gè)無(wú)線(xiàn)自行車(chē)電腦為例，它整合了用于監控心律、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(chē)電腦的組成更加復雜，因此，這類(lèi)應用通常都已具備可用于監控和無(wú)線(xiàn)功能的處理器，它們不需要再使用附加嵌入式處理器的無(wú)線(xiàn)晶片（圖2）。

　　圖2：Nordic的專(zhuān)用ULP收發(fā)器nRF24AP2，可為自行車(chē)單增加無(wú)線(xiàn)連接功能。（圖片來(lái)源：Suunto）

　　為此，Nordic與合作伙伴ANT Wireless一直致力為自行車(chē)開(kāi)發(fā)適用的無(wú)線(xiàn)連接方案。

　　Nordic針對這類(lèi)應用所開(kāi)發(fā)的nRF24AP2在單晶片中整合了一個(gè)2.4GHz ULP收發(fā)器、ANT無(wú)線(xiàn)協(xié)議，以及微控制器/處理器介面。這款方案并未包含應用處理器，從而節省成本、功耗并減小尺寸。在實(shí)際使用時(shí)，nRF24AP2可無(wú)縫連接自行車(chē)電腦內的應用處理器，讓?xiě)锰幚砥髂鼙O控設備的無(wú)線(xiàn)連接情況。Nordic將這種方法稱(chēng)之為‘單晶片連接’。
互通性需求

　　從技術(shù)角度來(lái)看，採用專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)連接方案的好處遠勝過(guò)採用ZigBee或藍牙，因為製造商能最佳化協(xié)議，而且不會(huì )有其他的額外開(kāi)銷(xiāo)，從而確保更低的功耗和成本。但缺點(diǎn)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(chǎng)商組成的聯(lián)盟，如ZigBee聯(lián)盟，或是像IEEE這類(lèi)標準組織，以及藍牙SIG等標準協(xié)會(huì )負責制定這些互通性標準?；旧?，這些產(chǎn)品都必須經(jīng)過(guò)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(shí)間進(jìn)行測試及獲得認證，同時(shí)會(huì )增加產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本，但可互通的解決方案往往可刺激市場(chǎng)成長(cháng)。

　　上述的ANT+技術(shù)是可互通ULP無(wú)線(xiàn)技術(shù)的其中一個(gè)例子。事實(shí)上，ANT是由超過(guò)220家公司所組成的監盟，并已被自行車(chē)領(lǐng)域的主要製造商如Garmin和Trek等公司採用，成為實(shí)質(zhì)產(chǎn)業(yè)標準。另外，除了Nordic以外，也有其他半導體業(yè)者開(kāi)始供應ANT晶片。然而，迄今在短距無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域中，藍牙仍然是最成功的一項無(wú)線(xiàn)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備中。Nordic因應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(wú)線(xiàn)電、鏈路控制器以及主控端子系統，可用在手錶、感測器和遙控等應用中?？ㄎ鳉W的G-SHOCK藍牙低功耗手表便採用了該晶片。

　　這款手錶是首個(gè)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(shí)間，其他功能還包括來(lái)電、電子郵件、簡(jiǎn)訊等提醒等。

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

　　除了醫療保健，藍牙低功耗感測也將可望在公共場(chǎng)所獲得廣泛應用。其中一項關(guān)鍵應用，便是它能用于室內定位（沒(méi)有GPS訊號之處）。也就是說(shuō)，在大型公共建筑，如機場(chǎng)或火車(chē)站內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(shí)間和閘門(mén)、各種設備的具體位置，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用可能會(huì )是體育、醫療保健和娛樂(lè )產(chǎn)業(yè)。

　　圖5：在機場(chǎng)內，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，陸續有手機採用藍牙4.0晶片。這也代表著(zhù)許多令人振奮的新技術(shù)將有機會(huì )發(fā)揮潛力。