RF遥控器的简易设计与应用

由于高度集成的单芯片RF解决方案的出现，设计射频（RF）遥控器从未如此简单。片上系统（SoC）发送器解决方案，例如Silicon Labs的Si4010单芯片远程控制集成电路（IC），大大简化了远程控制设计的过程，并通过消除系统材料清单（BOM）成本来降低需要大量不同的组件。

遥控器有许多不同的尺寸，形状和无线技术，广泛用于消费市场，作为各种产品的配件，如电视，视频游戏，立体声系统，照明控制和家庭自动化，包括车库门/开门器，空调机，风扇和带遥控无钥匙进入（RKE）钥匙扣的汽车。

最常见的遥控器使用红外（IR）技术，因为红外组件的成本相对较低但是这些基于IR的控制装置存在许多缺点，包括需要视线指向，有限的操作角度，短的传输范围，反射问题和相关的高电流消耗使用红外LED，这会导致电池寿命缩短。射频遥控器解决了这些问题并且出现的数量更多，因为消费者要求更好的用户体验。此外，技术改进正在缩小RF-IR价格差距。

所有RF遥控器都具有共同的特性，如图1中的简化框图所示。 RF遥控器的组件是用户输入命令的按钮，用于将用户命令处理成数字消息的微控制器单元（MCU），用于调制和发送消息的RF发送器（RF TX），天线和电池为遥控器提供电源。制造商在设计射频遥控器时面临的共同挑战是提供一致的最大传输范围，确保较长的电池寿命并保持较低的系统成本。

图1：RF遥控器的简化框图。

最大化传输范围涉及传输尽可能多的功率（在政府法规限制内），同时为接收器提供出色的灵敏度，因为总传输距离是发射器的函数输出功率和接收器的灵敏度。从遥控器方面来看，设计目标是将RF输出功率设置为政府限制，这意味着所有遥控器应具有相同的输出性能，因为它们都在相同的限制范围内传输。这在理想的世界中是正确的，但是，在具有实际部件和制造公差的现实世界中，每次使用生产线上制造的每个遥控器以这种最佳功率进行传输实际上是不可能的。此外，在握住遥控器或甚至触摸按钮时来自用户的手的干扰（称为“手部效应”）改变了天线的阻抗并因此改变了发射输出功率。这种现实效应可以降低遥控器的有效辐射功率（ERP），并且容易导致输出功率低于政府限制6 dB，每个Friis的自由空间路径损耗公式的传输距离相应减少2倍。

Si4010变送器是Silicon Labs的EZRadio®系列无线产品的最新成员，是业界首款单芯片远程控制IC，仅需一个外部旁路电容，印刷电路板（PCB），电池和带有按钮的外壳，形成完整的遥控器。 Si4010包含一个获得专利的天线调谐电路，可自动微调天线，以便在每次按键时获得最佳的发射功率。对于标准遥控设计，RF发射器，组件和天线制造公差以及环境的变化可能导致大的天线效率低下和浪费的功率。图2显示了Si4010功率放大器和天线调谐电路的简化框图。 Si4010通过调节片上可变电容器来最大化发射器天线效率，以与天线的电感共振。这些自动电容调整通过补偿天线匹配电路中的不匹配来最大化遥控器的发射功率，并通过放宽PCB天线中的制造公差来降低设计成本。

图2：Si4010天线调谐框图。

功率放大器（PA）内置一个额外的反馈环路，通过监测PA输出端的电压并调节PA的电流驱动来补偿输出功率。天线阻抗的变化。该反馈回路用于在温度变化和“手部效应”的情况下保持恒定的输出功率，如上所述，当人的手覆盖遥控器时，其改变天线阻抗。天线调谐的最终结果是在每个按钮按压时提供始终如一的可靠和最佳性能，同时降低RF匹配要求的成本和设计复杂性。采用Si4010自动天线调谐功能设计的遥控器可在政府传输限制下可靠，一致地工作，以实现最大传输范围。

电池寿命是任何便携式电子设备，尤其是遥控器的重要考虑因素。当我们考虑典型的遥控器使用时，超过99％的时间，遥控器正在等待用户激活按钮按下。在此期间，Si4010在室温下的功耗低于10 nA，是电池供电应用的理想选择。此外，触摸唤醒GPIO可进一步降低遥控器的电流消耗并延长电池寿命。图3显示了典型远程控制应用中使用的Si4010的功耗示例，其中CR2032电池最大传输功率为+10 dBm。

在传输过程中，Si4010在开关键控（OOK）模式下消耗14.2 mA，在频移键控（FSK）模式下消耗19.8 mA，同时以+10 dBm输出功率进行传输。如果我们假设发送器以1 kBaud的数据速率发送，则数据是曼彻斯特编码的，每个数据包长100位，每按一次按钮重复三次，然后我们得到以下结果：每天按50次按钮连续五年，我们在OOK模式下使用220 mAhr CR2032电池仅占52％的电量，在FSK模式下使用71％的电量。

图3：使用Si4010计算电池寿命示例。虽然此示例不包括电池的自泄漏，但它确实说明了Si4010变送器的低功耗特性以及低待机电流的重要性。 Si4010变送器的超低待机电流比许多现有解决方案低一个数量级，是延长遥控器电池寿命的重要差异因素。

任何遥控设计中最重要的考虑因素之一是最小化系统设计成本受组件成本以外的诸多因素影响，包括人工，库存，测试和制造产量。到目前为止，目前市场上占主导地位的低成本射频遥控解决方案使用MCU和基于表面声波（SAW）的射频发射器，如图4所示。

这种设计拓扑结构的广泛接受主要源于其低成本和简单性。 SAW器件与Colpitts振荡器结构中的晶体管Q1谐振以形成载波频率，并且晶体管Q2提供稳定操作所需的输出功率放大和隔离。来自MCU的数据直接应用于SAW谐振器以形成OOK调制信号，来自MCU的GPIO6将电压（VCC）提供给基于SAW的发送器。整个解决方案使用24个外部元件，包括MCU，一个旁路电容，一个用于为MCU提供时钟的石英晶体，以及一个带有跟踪天线和电容的PCB。它的RF组件成本（不包括PCB，MCU和旁路电容器）在100，000单位体积中为0.77美元。 0.77美元的RF BOM成本不包括MCU，旁路电容或PCB的成本。传统上，这是可靠RF传输的最低组件成本解决方案。从系统成本的角度来看，大的BOM数会增加其他成本，例如人工，库存和测试，并降低制造产量。

尽管基于SAW的变送器因其组件成本低而广泛用于远程控制，但是这项旧技术的许多缺点。除了来自大量RF BOM组件的高系统成本之外，基于SAW的发射器还具有差的载波频率精度，单频操作，仅OOK调制，不一致的性能，对组件容差的敏感性和低制造产量。

相比之下，Si4010发射器是一个完整的片上系统（SoC）遥控IC。基于成熟的Si500硅振荡器，其获得专利的无晶体架构在商用温度范围内实现了±150 ppm的载波频率精度，在工业温度范围内实现了±250 ppm，这是传统低成本SAW发射器的两倍精度没有外部水晶。该器件工作在27至960 MHz的连续频率范围内，包括可编程功率放大器（PA），输出功率高达+10 dBm，自动天线调谐和PA边沿速率控制，符合FCC，ETSI和ARIB无线电频率法规。嵌入式8051 MCU针对快速吞吐量进行指令优化，配备512字节内部数据RAM，4 kB RAM，8 kB OTP NVM，128位EEPROM，12 kB ROM功能库和硬件加速128比特AES加密算法。该器件的1.8至3.6 V电源范围，低待机电流低于超低功耗（10 nA）和触摸唤醒操作，使Si4010成为纽扣电池应用的理想选择。图5显示了Si4010发送器SoC的框图。

图5：Si4010框图。图6显示了使用Si4010和可选LED指示何时按下按钮的遥控器原理图。该遥控器的总BOM组件（不包括可选LED）是单个Silicon Labs的Si4010 IC，一个旁路电容，以及带有PCB走线天线和电容的PCB。 Si4010的总BOM组件不仅远低于基于SAW的发射器（3与24相比），Si4010也没有任何RF组件，因为它们都集成在IC中。 Si4010的高集成度将总系统BOM从过去使用基于SAW的变送器的24个组件减少到仅仅三个组件。这种BOM减少大大减少了人工，库存和测试成本，并大大提高了制造产量。此外，Si4010器件的自动天线调谐功能可确保始终如一的可靠输出功率，并通过使用宽松公差制造工艺降低成本，因为不再需要高精度天线匹配。

图7：使用Si4010Si4010的434 MHz远程控制PCB。使用存储在12 kB ROM中的Si4010变送器的远程控制功能库，开发远程控制应用程序非常简单。该库包括按钮服务程序，AES加密，编码模块，电池电压测量和其他有用的远程控制功能，以减少代码大小和加快产品上市时间。

图8显示了远程控制应用中使用的Si4010的流程图。当电池插入或从按钮按下从待机模式唤醒时，Si4010自动开始将用户代码从非易失性存储器（NVM）复制到RAM，然后运行用户代码的启动过程。启动后，首先初始化器件的数字模块（MCU，中断，定时器，外设等），然后使用ROM库中的功能初始化模拟模块。例如，在该阶段期间设置调制类型（OOK或FSK），数据速率，PA发送电平，载波频率等。

图8：Si4010远程控制流程图。

初始化完成后，程序进入主循环，监控GPIO按下按钮并管理事件处理。根据按下的按钮，程序决定做什么，然后根据按下按钮组装适当的数据包。然后，Si4010微调频率并发送数据包。一旦传输信息，它就会关闭并返回超低功耗待机状态。在待机模式下，芯片在25°C时的功耗低于10 nA，可以从任何GPIO按键唤醒，再次开始此过程。总之，Si4010是一款革命性的变送器，可提供最低的系统成本解决方案。遥控市场。可以使用Si4010，电池，PCB和按钮设计完整的经济型遥控器。目前没有其他可用的发射器解决方案与Si4010 IC的高级片上集成相匹配。此外，Si4010具有卓越的性能和先进的射频功能，包括自动天线调谐，以确保每次按下按钮时的最大传输距离。 Si4010变送器也非常易于使用，降低了设计复杂性，从而缩短了产品上市时间。