高整合度SoC發射器相助　射頻遙控器設計大幅簡化

紅外線遙控技術受限多

遙控器有許多不同尺寸、形狀和無線技術，作為許多產品的配件，廣泛用於消費性電子領域如電視機、電子遊戲機、音響系統、燈光控制及家居自動化(包括車庫開啟裝置、空調設備、風扇和門鎖遙控器)。最常見的遙控器使用紅外線(IR)技術，主要是因為紅外線元件成本相對較低，但這些基於IR的控制器有許多缺陷，包括須要在特定視角範圍內、具有操作角度限制、傳輸距離短，且與IR白色發光二極體(LED)相關的反射和高電流消耗會大大縮短電池壽命。RF遙控器解決了這些問題，由於可帶給用戶更好的使用體驗，產品也日益豐富。此外，技術演進也正使得RF與IR元件間的價格差距越來越小。

圖1　RF遙控器結構簡圖

RF遙控器共有的特性如圖1結構簡圖所示。RF遙控器的基本組件包括為用戶提供輸入命令的按鍵、把用戶命令轉換成數位訊息的微控制器(MCU)、 用於調變和發射訊息的RF發射器、天線以及為遙控器提供電源的電池。在設計RF遙控器時，製造商面臨的共同挑戰是如何提供穩定的最大傳輸距離、確保更長的電池壽命和維持低的系統成本。

最大化傳輸距離，亦即在符合政府法規限制下，使用盡可能大的功率發射，同時提供一個高靈敏度的接收器，因為總發射距離取決於發射器輸出功率和接收器靈敏度共同作用的結果。從遙控器端來說，設計目標是建構合乎政府法規限制的輸出功率，這也意味著所有遙控器應具有相同的輸出性能，因為它們都要符合相同法規限制。理想上這是可能的，但在真實世界中，由於元件和製造公差，要讓每個在生產線上製造的遙控器都有最佳的發射輸出功率幾乎是不可能的。

此外，來自用戶手持遙控器形成的干擾又稱為「手效應」，甚至觸控按鍵時都會改變天線的阻抗，進而改變發射輸出功率。真實世界的影響能夠降低遙控器的有效輻射功率(ERP)，很容易導致輸出功率低於政府法規限制6分貝(dB)，根據Friis自由空間路徑損耗方程式，發射距離也將相應地縮短兩倍。

單晶片遙控器IC簡化設計

圖2　Si4010天線調諧方塊圖

作為芯科實驗室EZRadio無線產品線的最新成員，Si4010發射器是第一款單晶片遙控器IC，只需要一個外部旁路電容、一塊印刷電路板(PCB)、電池和一塊帶按鍵的外殼，即可構成一個完整的遙控器。Si4010包括專利的天線調諧電路，為每一個按鍵動作自動微調天線至最佳發射功率。傳統的遙控器設計中，RF發射器差異、元件和天線製造公差及周圍環境導致天線效率較低、輸出能量浪費嚴重。圖2是Si4010功率放大器和天線調諧電路的結構簡圖。

Si4010透過調整晶片上與天線電感產生共振的可變電容最大化發射天線效率。這些自動的電容調整透過補償天線匹配電路的失諧，以最大化遙控器的發射功率，並透過允許放寬PCB天線製造公差，以降低設計成本。

功率放大器(PA)包含一個回饋迴路，透過監視PA輸出電壓、調整PA電流驅動以補償天線阻抗的變化，進而維持穩定的輸出功率。儘管有溫度變化和手效應的影響，回饋迴路有效維持穩定輸出功率，正如上文所述，當一個人手持遙控器時將改變天線阻抗。天線調諧的最終結果是為每個按鍵操作提供穩定可靠和最佳的性能，同時降低符合RF匹配要求的設計成本和複雜性。使用Si4010自動天線調諧特性的遙控器能夠可靠和穩定地運行，在合乎政府發射限制下提供最大發射距離。

減少電流消耗　延長電池壽命

電池壽命是任何可攜式電子設備，特別是遙控器的重要考量因素。在研究典型的遙控器使用習慣時發現，超過99%的時間遙控器是處於等待用戶按鍵操作的狀態。在此期間，室溫下的Si4010功耗小於10奈安培(nA)，這使其成為電池供電應用的理想選擇。此外，具有觸控喚醒功能的通用輸入輸出(GPIO)進一步減少遙控器的電流消耗，延長電池壽命。

圖3　Si4010應用電池壽命計算實例

圖3是典型遙控器應用中Si4010功耗實例，其使用CR2032電池，最大發射功率為+10dBm。在輸出功率為+10dBm的傳輸期間，Si4010在開關鍵(OOK)調變模式耗電14.2毫安培(mA)，在FSK調變模式下耗電19.8毫安培。

若假設如下的情形：1kBaud資料傳輸率、曼徹斯特編碼、每封包100位元(Bit)、每次按鍵重複發送三次，則可得到如下結論：在連續5年、每天五十次按鍵的操作條件下，OOK調變模式下僅消耗CR2032(220mAH)電池電量的52%；FSK調變模式下消耗CR2032電池電量的71%。

雖然這個例子沒有包括電池的漏電情況，但它確實說明了Si4010發射器低功耗的特性和低待機電流的重要性。Si4010發射器的超低待機電流比許多既有的解決方案要低得多，對於延長遙控器電池壽命來說這一點非常重要。

目前SAW-based產品居大宗

所有遙控器設計的最重要考量因素之一是盡可能地減小系統設計成本，這受到許多因素影響，除了元件成本外，還包括勞動力、庫存、測試和製造良率等。到目前為止，市場上占主導地位的低成本RF遙控器解決方案是使用MCU和以表面聲波(SAW)為基礎(SAW-based)的RF發射器(圖4)。

圖4　SAW-based遙控發射器的簡化原理圖

這種設計的拓撲結構因為低成本且簡單而被廣泛接受。表面聲波元件與柯畢茲振(Colpitts)振盪器架構中的電晶體Q1產生共振形成載波頻率，電晶體Q2提供輸出功率放大和穩定運行所需的隔離功能。來自MCU的資料直接應用於表面聲波共振器，形成OOK調變訊號，來自MCU的GPIO6供應電壓(VCC)到SAW-based的發射器。整個方案使用二十四個外部元件，包括MCU、一個旁路電容、為微控制器提供時脈的石英晶體，配備板載天線(Trace Antenna)的PCB和電容。RF元件成本(不包括PCB、MCU和旁路電容)在十萬顆的採購數量下，單價為0.77美元。傳統上，這已經成為最低元件成本的可靠射頻傳輸解決方案。從系統成本的角度來看，較多的BOM數量降低生產良率，也增加其他成本，如勞動力、庫存和測試等費用。

雖然SAW-based的發射器以其較低的元件成本而被廣泛應用於遙控器，但是舊有技術有許多缺點。除了大量RF元件所帶來的較高系統成本外，SAW-based發射器還有載波頻率精度低、單頻操作、僅支援OOK調變、性能穩定性差、對元件容差敏感、製造良率較低等缺點。

系統單晶片架構具優勢

相較之下，Si4010發射器是一款完整的系統單晶片遙控器IC，基於備受肯定的Si500矽振盪器，它的專利無晶體架構在商業溫度範圍內，可達到±150ppm的載波頻率精度；在工業溫度範圍，則可達±250ppm的載波頻率精度，是傳統低成本SAW-based發射器(無外部晶體)頻率精度的兩倍。

此外，Si4010可在27M～960MHz的連續頻率範圍內工作，並且包括可編程的最大輸出功率+10dBm的功率放大器、自動天線調諧以及可滿足美國聯邦通訊委員會(FCC)、歐洲電信標準協會(ETSI)和日本電波產業會(ARIB)無線電頻率法規要求的PA邊緣速率(Edge Rate)控制。嵌入式8051 MCU為進行快速處理而進行了指令優化，具有512位元組(Bytes)內部隨機存取記憶體(RAM)、4KB RAM，8KB一次性可編程(OTP)非揮發性記憶體(NVM)、128位元電子式可清除程式化唯讀記憶體(EEPORM)、12KB函數庫唯讀記憶體(ROM)和硬體加速的128b AES加密邏輯。1.8～3.6伏特(V)供電範圍、比超低功耗(10奈安培)還少的待機電流及觸控喚醒操作，使得Si4010成為鈕扣電池應用的理想選擇。圖5是Si4010 SoC發射器方塊圖。

圖5　Si4010方塊圖

圖6　使用Si4010的遙控器簡圖

圖6是一個使用Si4010的遙控器原理圖，附有一個可選的LED燈用於顯示按鍵操作。遙控器全部物料清單(不含可選的LED燈)包括一顆芯科實驗室Si4010 IC、一顆旁路電容、PCB板載天線和電容。Si4010不但總物料元件數量少於SAW-based發射器(三個對二十四個)，而且Si4010也無需任何RF元件，因為都已整合在晶片內部。高整合度的Si4010降低了系統物料清單，從SAW-based發射器的二十四個降到僅僅三個元件。精簡的物料清單可大幅降低勞動力成本、庫存和測試成本，而且提高製造良率。此外，Si4010元件的自動天線調諧功能保證穩定可靠的輸出功率，並且透過放寬製造流程中的公差範圍，降低了系統成本，因為高精確的天線匹配不再需要。

傳統RF發射器問題不復見

圖7　434MHz Si4010遙控器PCB

使用Si4010設計的遙控器克服傳統RF發射器所面臨的許多問題。Si4010利用天線調諧特性消除困難且繁瑣的RF匹配問題，同時也降低高成本的RF設計費用，縮短上市時間。硬體設計的任務為該遙控器選擇最佳的PCB天線，為Si4010、PCB板載天線、旁路電容、按鍵和電池進行合理布局和布線。圖7是434MHz Si4010遙控器PCB。

使用儲存在12KB ROM中的Si4010發射器函數庫進行遙控器軟體開發是非常容易的。該函數庫包括按鍵服務、AES加密、編碼模組、電池電壓檢測和其他有用的遙控功能，可降低代碼大小，加速產品上市。

圖8　Si4010遙控器流程圖

圖8是Si4010遙控器應用流程圖。安裝電池或透過按鍵從待機模式喚醒後，Si4010自動啟動引導過程，它從NVM中複製用戶代碼到RAM中，然後運行用戶代碼。引導完成後，設備的數位部分，首先初始化MCU、中斷、計時器、周邊等，然後類比部分使用ROM庫中的函數進行初始化。例如調變類型(OOK或FSK)、資料率、PA發射等級、載波頻率等都在這個階段設定。

當初始化完成後，程式進入主迴路並監視按鍵操作，進行事件處理。程式設定會依據被按下的按鍵而決定做什麼反應，並根據按鍵構建適合的封包。然後，Si4010微調頻率並發射封包。一旦資訊發射完成，Si4010完全關閉並轉入超低功耗待機狀態。在待機模式，晶片耗電少於10奈安培(25℃溫度下)，並能夠從任意GPIO按鍵按下中喚醒，重新開始處理。

革命性的Si4010發射器，可為遙控器市場提供最低成本的系統解決方案。使用Si4010、電池、印刷電路板和按鈕，即可設計出充分發揮成本效益的遙控器。到目前為止，沒有其他發射器解決方案可與高整合度的Si4010相媲美。此外，Si4010性能卓越，其先進的射頻性能使得每個按鍵操作都可透過自動天線調諧確保最大傳輸距離。Si4010易用且設計簡便，進而可縮短上市時間。

(本文作者為芯科實驗室無線產品行銷經理)