超低功耗RF设计考量揭密

尽管仍处于起步阶段，但短距离射频的前景看来一片光明。而推动该市场不断扩张的催化剂将会是超低功耗技术。在这个每星期出货量高达数千万颗的短距、低功耗射频市场中，採用2.4GHz ISM频段的技术仍居主流，包括Wi-Fi、蓝牙、ZigBee，当然，这个领域还包括了其他多种尚未成熟的无线技术。未来几年内，我们的生活周遭可能会出现许多令人印象深刻无线连接技术。

　　短距无线市场的主要趋势之一，是超低功耗（ULP）无线应用的大规模扩展。这种应用的特徵是採用由钮扣型电池供电的微型RF收发器，在需要时被唤醒以便快速地连续发送数据，而后再回到nA等级耗电量的‘休眠’状态。ABI Research统计，2010年无线感测器网路（WSN）晶片市场成长了300%；而在2016年，医疗保健和个人健身设备採用的蓝牙低功耗晶片出货量将会超过4.67亿颗。

　　任何一种可携式电子产品或设备都能添加超低功耗无线连接特性，从微型医疗/健身感测器、手机、电脑、机械工具、汽车都包括在内。微型ULP收发器能够直接与数以千计的其他设备直接通讯，或是作为网路的一部份，从而强化产品的实用性。

　　然而，对多数工程师而言，RF设计仍然是一种黑色艺术。RF设计确实不平凡，但现代的晶片供应商和开发工具套件将协助设计师发挥更多设计技巧。本文将描述ULP无线技术、晶片，并探讨如何更好地运用它们。

　　超低功耗无线揭密

　　超低功耗无线技术不同于所谓的低功耗的短程无线电技术，如蓝牙（目前业界将之称为经典蓝牙［Classic Bluetooth］，以便与包含超低功耗蓝牙低耗能（BLE）技术的新版蓝牙4.0区别）。超低功耗无线技术所需的操作电源显着减少，能赋予许多设计精巧的可携式设备无线连接能力。

　　传统蓝牙的电力需求较大，甚至当使用者资料传输量不大时，也几乎会独占电池。这种电力需求代表着传统蓝牙对‘低频宽、长寿命’的应用而言并非理想的无线解决方案。

　　相较之下，超低功耗RF收发器可以运用钮扣电池（如CR2032或CR2025）运作数个月甚至数年的时间。这些钮扣电池体积小，价格便宜，但储能量很有限，通常在90～240mAh之间。与之相比，假设平均漏电流为一颗200μA，那么一颗AA电池的储能量至少有10～12倍。

　　如此低的储能量严重限制了ULP无线链路的主动工作週期（active duty cycle）。例如，一颗220mAh的CR2032钮扣电池，若持续使用至少一年（220mAh/（24hr x 365day）），则可维持的最大额定电流仅25μA（或放电率）。

　　ULP硅无线电晶片则可实现仅数十毫安（milliamps）的峰值电流，以Nordic的nRF24LE1 2.4GHz收发器为例，在传送时仅11.1mA（0dBm输出功率）；接收时则仅13.3mA（速率2Mbps）。如果能在很长时间内将平均电流限制在数十微安，则工作週期可降至极低（约0.25%），晶片也能很快地回到nA等级休眠模式。

不同的应用

　　如果收发器有99.75%的时间都在休眠，一旦必须唤醒时，往往很难立即正常运作。而ULP收发器的特色之一便是能迅速唤醒，传送极短但相对频宽较高的‘bursts’资料‘（高达1或2Mbps），而后立即返回极低功耗的休眠状态。

　　因此，ULP RF收发器并不会直接与Wi-Fi和传统蓝牙应用展开竞争。然而，ULP无线却已开启了极广泛的崭新应用。这些应用包罗万象。ULP无线已经大举进入体育、健康、娱乐、PC週边、遥控、游戏、手机配件，家庭自动化和工业控制等领域，且未来几年还将延伸到更多其他市场。

　　这些应用的共同点便在于能让ULP无线技术发挥它的实力。这些应用设备通常採用小型感测器和週边以及小型电池，每隔几秒或固定时间发送极少量的数据（通常仅数位元）。然而，根据不同的应用类别，对ULP无线的设计需求仍不尽相同，如带有可监控速度和距离的性能感测器、射频远端控制设备，以及像心律监控等医疗用感测器的自行车电脑、就需要与PC週边截然不同的工程方案。

　　简单来说，无线连接需要一个无线电（收发器）、协议（用来控制无线电通讯的软体程式码或堆叠），以及应用处理器（拥有自己的程式码以监控特殊应用，如心律监控）。以下将探讨这些要素如何影响无线系统的效率、尺寸和成本。

　　我们以两个範例进行说明：一个无线滑鼠和一个自行车电脑。无线滑鼠的设计看来较简单，但它需要应用到大量的超低功耗RF。无线滑鼠製造商需要一种精巧、高效且低成本的连接方案。换句话说，他们希望开发出所有消费者都买得起、功能强大电池寿命长的无线滑鼠。

　　针对这种应用，最佳方案是一颗系统单晶片（SoC），它在单颗晶片上整合了无线电、工厂提供的协议和应用处理器。而极大的应用量则抵销了厂商投注的高昂NRE成本。此外，供应商还能最佳化软硬体性能，以满足目标应用需求。

　　对滑鼠製造商来说，他们毋须浪费时间和金钱开发、选择或购买外部处理器和相关的开发工具套件，以及撰写程式码。收发器供应商在开发SoC时便已完成一部份工作了。

　　以Nordic公司的nRF24LE1 SoC为例，该元件瞄準桌上型週边市场，内含Nordic公司的nRF24L01 + 2.4GHz超低功耗收发器、用于快闪记忆体或一次可编程（OTP）记忆体中的Gazell软体协议堆叠、增强型8位元微控制器。这种单晶片元件尺寸仅5x5毫米，可应用在小型无线滑鼠设计中。

　　另一款nRF24LU1+晶片组则整合了Nordic nRF24L01+收发器、USB 2.0相容设备控制器，、快闪记忆体（或OTP）和一个8位元微控制器，可插入主PC的USB埠提供无线链接。nRF24LU1+能让PC週边製造商开发出微型USB dongle设备（图1）。

　　图1：nRF24LU1+能让PC週边製造商开发出微型USB dongle。