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射頻/無線  

超低功耗RF譜出光明未來

上網時間: 2012年03月15日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:ULP  Wi-Fi  藍牙  ZigBee  無線 

作者:Jay Tyzzer

應用工程師

Nordic Semiconductor

儘管仍處於起步階段,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收發器,在需要時被喚醒以便快速地連續發送數據,而後再回到nA等級耗電量的‘休眠’狀態。ABI Research統計,2010年無線感測器網路(WSN)晶片市場成長了300%;而在2016年,醫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收發器能夠直接與數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,但現代的晶片供應商和開發工具套件將協助設計師發揮更多設計技巧。本文將描述ULP無線技術、晶片,並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於所謂的低功耗的短程無線電技術,如藍牙(目前業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藍牙對‘低頻寬、長壽命’的應用而言並非理想的無線解決方案。

相較之下,超低功耗RF收發器可以運用鈕扣電池(如CR2032或CR2025)運作數個月甚至數年的時間。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,那麼一顆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矽無線電晶片則可實現僅數十毫安(milliamps)的峰值電流,以Nordic的nRF24LE1 2.4GHz收發器為例,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。


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