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一片光明。而推動該市場不斷擴張的催化劑將會是超低功耗技術。在這個每星期出貨量高達數(shù)千萬顆的短距、低功耗射頻市場中，採用2.4GHz ISM頻段的技術仍居主流，包括Wi-Fi、藍牙、ZigBee，當然，這個領域還包括了其他多種尚未成熟的無線技術。未來幾年內，我們的生活周遭可能會出現(xiàn)許多令人印象深刻無線連接技術。

　　短距無線市場的主要趨勢之一，是超低功耗（ULP）無線應用的大規(guī)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，在需要時被喚醒以便快速地連續(xù)發(fā)送數(shù)據，而后再回到nA等級耗電量的‘休眠’狀態(tài)。ABI Research統(tǒng)計，2010年無線感測器網路（WSN）晶片市場成長了300%；而在2016年，醫(yī)療保健和個人健身設備採用的藍牙低功耗晶片出貨量將會超過4.67億顆。

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

　　然而，對多數(shù)工程師而言，RF設計仍然是一種黑色藝術。RF設計確實不平凡，但現(xiàn)代的晶片供應商和開發(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無線技術、晶片，并探討如何更好地運用它們。

　　超低功耗無線揭密

　　超低功耗無線技術不同于所謂的低功耗的短程無線電技術，如藍牙（目前業(yè)界將之稱為經典藍牙［Classic Bluetooth］，以便與包含超低功耗藍牙低耗能（BLE）技術的新版藍牙4.0區(qū)別）。超低功耗無線技術所需的操作電源顯著減少，能賦予許多設計精巧的可攜式設備無線連接能力。

　　傳統(tǒng)藍牙的電力需求較大，甚至當使用者資料傳輸量不大時，也幾乎會獨占電池。這種電力需求代表著傳統(tǒng)藍牙對‘低頻寬、長壽命’的應用而言并非理想的無線解決方案。

　　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(shù)個月甚至數(shù)年的時間。這些鈕扣電池體積小，價格便宜，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無線鏈路的主動工作週期（active duty cycle）。例如，一顆220mAh的CR2032鈕扣電池，若持續(xù)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硅無線電晶片則可實現(xiàn)僅數(shù)十毫安（milliamps）的峰值電流，以Nordic的nRF24LE1 2.4GHz收發(fā)器為例，在傳送時僅11.1mA（0dBm輸出功率）；接收時則僅13.3mA（速率2Mbps）。如果能在很長時間內將平均電流限制在數(shù)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%的時間都在休眠，一旦必須喚醒時，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)器并不會直接與Wi-Fi和傳統(tǒng)藍牙應用展開競爭。然而，ULP無線卻已開啟了極廣泛的嶄新應用。這些應用包羅萬象。ULP無線已經大舉進入體育、健康、娛樂、PC週邊、遙控、游戲、手機配件，家庭自動化和工業(yè)控制等領域，且未來幾年還將延伸到更多其他市場。

　　這些應用的共同點便在于能讓ULP無線技術發(fā)揮它的實力。這些應用設備通常採用小型感測器和週邊以及小型電池，每隔幾秒或固定時間發(fā)送極少量的數(shù)據（通常僅數(shù)位元）。然而，根據不同的應用類別，對ULP無線的設計需求仍不盡相同，如帶有可監(jiān)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(jiān)控等醫(yī)療用感測器的自行車電腦、