基于HopeRF的CMT2156A的無線自發(fā)電開關(guān)應(yīng)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(nèi)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(jī)無線發(fā)射的應(yīng)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(xiàn)低成本且環(huán)保的免電池、免布線電子遙控產(chǎn)品。

1   無線自發(fā)電開關(guān)與傳統(tǒng)方案的對比：

2   無線自發(fā)電開關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

無線自發(fā)電開關(guān)無需接入電池、電源等供電設(shè)備，完全通過開關(guān)的機(jī)械動作自主發(fā)電產(chǎn)生工作能量。

基本原理是電磁感應(yīng)，通過手按動、撥動、轉(zhuǎn)動開關(guān)的動作來操作磁條切割線圈來產(chǎn)生電能，產(chǎn)生的電能驅(qū)動后端的功能、射頻電路工作，具體見圖1。

圖1 無線自發(fā)電開關(guān)原理

無線自發(fā)電開關(guān)系統(tǒng)根據(jù)功能的簡單到高級，常見的系統(tǒng)設(shè)計有3 種：

1）單路簡易無線遙控應(yīng)用如圖2。典型應(yīng)用：單路燈控開關(guān)、門禁開關(guān)、報警開關(guān)等。

2）單路多功能無線遙控應(yīng)用如圖3。典型應(yīng)用：無線門鈴。

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

3   基于華普微CMT2156A的動能開關(guān)設(shè)計

3.1 CMT2156A的參數(shù)特性

1) 微能量收集部分

●   內(nèi)嵌整流橋支持微能量電機(jī)直接接入；

●   內(nèi)嵌高效DC-DC Buck 電路，效率高達(dá)95%；

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

●   內(nèi)置PSM 功耗管理，可根據(jù)負(fù)載需求，調(diào)節(jié)自身功耗，以節(jié)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(dá)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(shù)，CMT2156A 采用單引腳晶體振蕩電路，晶體振蕩所需的負(fù)載電容集成在芯片內(nèi)部。

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

3） 數(shù)據(jù)發(fā)射由按鍵動作觸發(fā)，所發(fā)射的數(shù)據(jù)調(diào)制后通過一個高效功率放大器發(fā)射出去， 發(fā)射功率在（-10~13）dBm范圍內(nèi)， 以1 dB步進(jìn)進(jìn)行設(shè)置。

4）用戶可以通過USB Programmer 和RFPDK 將頻率、輸出功率及其他產(chǎn)品參數(shù)燒錄到芯片內(nèi)置EEPROM中，以簡化開發(fā)及生產(chǎn)，降低成本。用戶也可以直接用433.92 MHz 等默認(rèn)參數(shù)的現(xiàn)貨庫存直接生產(chǎn)，免除生產(chǎn)燒錄環(huán)節(jié)。

圖5 CMT2156A的功能模塊圖

3.3 CMT2156A的應(yīng)用設(shè)計^[2]

硬件參考設(shè)計圖如圖6 所示。

圖6 硬件參考設(shè)計圖

1）單端輸出匹配電路設(shè)計說明

●   L1 是取能（Chock，扼流）電感。

●   C8，用于減小PA 輸出對電源的影響。用戶應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境適當(dāng)選用。

●   C1 是隔直電容，同時與L2 中的部分電抗形成諧振選頻。

●   ANT 天線，CMOSTEK 提供的DEMO 板用的是膠棒天線。實(shí)際應(yīng)用中，用戶可根據(jù)實(shí)際需要替換為PCB 天線、導(dǎo)線天線或彈簧天線等其他類型的天線。需要注意的是，不同的天線會影響到匹配網(wǎng)絡(luò)及各元件值的選取。

2）晶體電路設(shè)計說明

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

●   晶體應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離PA 輸出、天線及數(shù)字走線，并在其周圍盡可能多鋪地。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49S 插件晶體或柱晶等）。

●   晶體負(fù)載電容集成在芯片內(nèi)，默認(rèn)為15 pF，片外無需外掛負(fù)載電容，用戶可以直接選用頻率為26 MHz，負(fù)載電容為15 pF 的晶體。為了安全起見，建議用戶在PCB 上預(yù)留測試點(diǎn)，方便在線修改芯片參數(shù)。

3）數(shù)字信號（包括 DATA 和CLK）設(shè)計說明

●   數(shù)字信號應(yīng)盡量遠(yuǎn)離XTAL 和RF 走線。

●   數(shù)字信號應(yīng)盡可能用鋪地圍起來，以減少相互串?dāng)_。

4）電源及地設(shè)計說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， 用戶應(yīng)當(dāng)在芯片的VDDRF 管腳處（C8） 設(shè)計濾波電容。

5）PCB 布板細(xì)則

●   盡量用大片的連續(xù)鋪地設(shè)計。

●   地的走線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，多鋪地，以減小對射頻輸出傳輸線阻抗的連續(xù)影響，并增強(qiáng)ESD 性能。

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

●   盡量避免用長和/ 或細(xì)的傳輸線來連接各個元件。

●   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(xiàn)更好濾波效果。

●   晶體X1 盡量靠近芯片，金屬外殼接地，遠(yuǎn)離射頻輸出信號和數(shù)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(jī)產(chǎn)生電量有關(guān)：電量>400 μJ 的電機(jī)，推薦使用C7:100 μF、C6:47 μF；200 μJ< 電量<400 μJ 的電機(jī)，推薦使用 C7:68 μF、C6:47 μF；100 μJ < 電量<200 μJ 的電機(jī)，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(shù)確定，不加R1 電阻或R1 電阻值加得太大，可能按下電機(jī)時會誤觸發(fā)芯片進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)或?qū)е律想姴怀晒Αo發(fā)射。

6）功耗優(yōu)化考慮說明

對功耗要求比較嚴(yán)格的發(fā)射應(yīng)用中，CMT2156A 提供了多種方法來滿足不同應(yīng)用場景的需求。具體包括：

a）降低發(fā)射功率：用戶可通過2 種方法來改變發(fā)射功率

● 通過USB Programmer 和RFPDK 設(shè)置TX Power參數(shù)改變芯片的發(fā)射功率。

● 在取能電感和電源之間串一個電阻（圖中未示出），通過改變電阻值來調(diào)節(jié)發(fā)射功率。但是由于電阻的存在，這種方法會降低發(fā)射效率，所以我們推薦使用改變芯片發(fā)射功率設(shè)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的阻抗上，不當(dāng)?shù)淖杩箷档桶l(fā)射效率，浪費(fèi)功耗。根據(jù)不同的天線，用戶應(yīng)該借助網(wǎng)絡(luò)分析儀等工具和手段，設(shè)計一套對于具體應(yīng)用來說較優(yōu)化的匹配網(wǎng)絡(luò)，以達(dá)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(shù)，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(shù)的降低帶來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(yīng)用場合。

c）提高發(fā)射數(shù)據(jù)率

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

d）控制LED 驅(qū)動電流

CMT2156A 可以直接驅(qū)動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(qū)動LED 消耗的電流。

7）開發(fā)和生產(chǎn)過程中的EEPROM 燒錄需要用到連接器J1。

圖7 提高發(fā)射數(shù)據(jù)率，可以縮短發(fā)射包的時間

4   結(jié)束語

CMT2156A 是集成度高的單芯片解決方案，客戶僅需選擇合適外觀結(jié)構(gòu)微能量發(fā)電機(jī)，并匹配相應(yīng)儲能電容即可完成設(shè)計，降低產(chǎn)品設(shè)計難度。目前的分立器件方案設(shè)計需要選擇合適結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)、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(jù)這些器件選擇進(jìn)行發(fā)射參數(shù)的優(yōu)化。其次，產(chǎn)品原理雖然簡單，但要設(shè)計出成本優(yōu)、性能好的產(chǎn)品，需要一個系統(tǒng)性設(shè)計以及反復(fù)驗(yàn)證和測試。而使用CMT2156A 則能大量簡化這些選型工作，且一致性好。

參考文獻(xiàn)：

[1] CMT2156A Datasheet[Z].CMOSTEK.

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

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年7月期）