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            基于HopeRF的CMT2156A的無線自發電開關應用

            作者:鞠宏霞 (上海豐寶電子信息科技有限公司,上海 200233)時間:2021-07-26來源:電子產品世界收藏
            編者按:介紹了基于華普微公司CMT2156A用于無線自發電開關的應用方案。無線自發電開關不僅可以解決建筑設計及裝修的靈活性問題,還可以解決傳統無線開關需要定期更換電池的麻煩及電池產生的環境污染。該方案設計可以成為當今節能減排大環境下最具推廣和使用價值的一種綠色電氣產品應用,實現科技綠色環保電工產品的家居智能化。


            本文引用地址:http://www.snowlakeshores.com/article/202107/427134.htm

            0   引言

            華普微公司的 是一款針對微能量收集并進行發射的單芯片,內嵌可配置編碼的高性能OOK射頻發射器,支持(240~480)MHz 的能量手機發射的應用。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,可以實現低成本且環保的免電池、免布線電子遙控產品。

            1   開關與傳統方案的對比:

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            2   開關系統結構及原理

            無線開關無需接入電池、電源等供電設備,完全通過開關的機械動作自主發電產生工作能量。

            基本原理是電磁感應,通過手按動、撥動、轉動開關的動作來操作磁條切割線圈來產生電能,產生的電能驅動后端的功能、射頻電路工作,具體見圖1。

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            圖1 無線自發電開關原理

            無線自發電開關系統根據功能的簡單到高級,常見的系統設計有3 種:

            1)單路簡易無線遙控應用如圖2。典型應用:單路燈控開關、門禁開關、報警開關等。

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

            3)多路遙控應用如圖4。典型應用:多路燈控開關、多功能開關組、電器控制開關幾遙控開關等。

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            3   基于華普微的動能開關設計

            3.1 的參數特性

            1) 微能量收集部分

            ●   內嵌整流橋支持微能量電機直接接入;

            ●   內嵌高效DC-DC Buck 電路,效率高達95%;

            ●   支持發電機抬起檢測,可實現首次電量存儲至抬起發射;

            ●   內置PSM 功耗管理,可根據負載需求,調節自身功耗,以節省能量。

            2) 高頻編碼發射部分:

            ●   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,CMT2156A 采用單引腳晶體振蕩電路,晶體振蕩所需的負載電容集成在芯片內部。

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

            3) 數據發射由按鍵動作觸發,所發射的數據調制后通過一個高效功率放大器發射出去, 發射功率在(-10~13)dBm范圍內, 以1 dB步進進行設置。

            4)用戶可以通過USB Programmer 和RFPDK 將頻率、輸出功率及其他產品參數燒錄到芯片內置EEPROM中,以簡化開發及生產,降低成本。用戶也可以直接用433.92 MHz 等默認參數的現貨庫存直接生產,免除生產燒錄環節。

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            圖5 CMT2156A的功能模塊圖

            3.3 CMT2156A的應用設計[2]

            硬件參考設計圖如圖6 所示。

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            圖6 硬件參考設計圖

            1)單端輸出匹配電路設計說明

            ●   L1 是取能(Chock,扼流)電感。

            ●   C8,用于減小PA 輸出對電源的影響。用戶應根據使用環境適當選用。

            ●   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。實際應用中,用戶可根據實際需要替換為PCB 天線、導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絡及各元件值的選取。

            2)晶體電路設計說明

            ●   晶體應該盡量靠近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。

            ●   晶體應盡可能遠離PA 輸出、天線及數字走線,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)。

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

            3)數字信號(包括 DATA 和CLK)設計說明

            ●   數字信號應盡量遠離XTAL 和RF 走線。

            ●   數字信號應盡可能用鋪地圍起來,以減少相互串擾。

            4)電源及地設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, 用戶應當在芯片的VDDRF 管腳處(C8) 設計濾波電容。

            5)PCB 布板細則

            ●   盡量用大片的連續鋪地設計。

            ●   地的走線使得電流的回流路徑環面積最小,以盡量減小從供電環路向外輻射。

            ●   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影響,并增強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,以實現更好濾波效果。

            ●   晶體X1 盡量靠近芯片,金屬外殼接地,遠離射頻輸出信號和數字信號。

            ●   C6 與C7 電容可用電解電容與鉭電容,要求耐壓15 V 以上,電容的大小與電機產生電量有關:電量>400 μJ 的電機,推薦使用C7:100 μF、C6:47 μF;200 μJ< 電量<400 μJ 的電機,推薦使用 C7:68 μF、C6:47 μF;100 μJ < 電量<200 μJ 的電機,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,使芯片能正常進行power up。其大小由L0 與電容的大小及每秒發射的次數確定,不加R1 電阻或R1 電阻值加得太大,可能按下電機時會誤觸發芯片進入發射狀態或導致上電不成功、無發射。

            6)功耗優化考慮說明

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

            a)降低發射功率:用戶可通過2 種方法來改變發射功率

            ● 通過USB Programmer 和RFPDK 設置TX Power參數改變芯片的發射功率。

            ● 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節發射功率。但是由于電阻的存在,這種方法會降低發射效率,所以我們推薦使用改變芯片發射功率設置的方法改變發射功率

            b)優化匹配網絡

            匹配網絡的目的是把輸出阻抗匹配到天線的阻抗上,不當的阻抗會降低發射效率,浪費功耗。根據不同的天線,用戶應該借助網絡分析儀等工具和手段,設計一套對于具體應用來說較優化的匹配網絡,以達到提高發射效率,優化功率的目的。

            另外,值得注意的是,降低匹配網絡濾波器的階數,也可以一定程度上提高發射效率,降低功耗。但是濾波器階數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用場合。

            c)提高發射數據率

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

            d)控制LED 驅動電流

            CMT2156A 可以直接驅動LED 以指示發射狀態或低電壓狀態。在LED 與VDD 之間串聯限流電阻,在可接受的亮度條件下盡可能地降低由驅動LED 消耗的電流。

            7)開發和生產過程中的EEPROM 燒錄需要用到連接器J1。

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            圖7 提高發射數據率,可以縮短發射包的時間

            4   結束語

            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構微能量發電機,并匹配相應儲能電容即可完成設計,降低產品設計難度。目前的分立器件方案設計需要選擇合適結構發電機、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,并根據這些器件選擇進行發射參數的優化。其次,產品原理雖然簡單,但要設計出成本優、性能好的產品,需要一個系統性設計以及反復驗證和測試。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:

            [1] CMT2156A Datasheet[Z].CMOSTEK.

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

            (本文來源于《電子產品世界》雜志2021年7月期)



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