在今天的穿戴式裝置中,電池的使用壽命長和尺寸小是設計無線感測和監測裝置時的關鍵性要求。嵌入於這些穿戴式裝置中的無線電收發器需要以極低功耗支援持續性的資料串流,對於在無法或難以頻繁更換電池的環境中使用的穿戴式平台系統來說,這種特性尤其重要。

雖然有諸多系統先前使用的是AA或AAA電池,但是,現在有許多系統則是採用+3V鈕扣型電池工作,而實現這種可能性的是超低功耗短距離收發器,原因是其電路設計針對幾種關鍵參數實現了功率效率最佳化。由於超低功耗的性能改善了,讓穿戴式應用可以採用很小的鈕扣型電池,並且可使用在更小晶片尺寸封裝(CSP)中的無線電技術,因而讓這種應用可以進一步縮小尺寸。

穿戴式技術的無線要求

選擇能夠最佳化穿戴式裝置功率效率的短距離無線電收發器時,有幾項因素必須考慮到。其中,電源電壓特別重要。目前,許多感測器可以採用+3V電源電壓操作,使穿戴式裝置只要一個便宜且容易取得的鈕扣型電池便能夠操作。其他關鍵的電源考慮因素還包括維持收發器和接收器性能的能力,以及使用不超過峰值電流的低供應電流曲線,以配合電源阻抗。

另一個關鍵問題是峰值電流。所有無線感測器網路都要以預定工作週期來運作,以達到省電的目的,並限制無線電空間的使用。無線電收發器峰值電流消耗低,減少了對無線感測器電源的限制。對於可延長電池使用壽命的低負荷來說,低睡眠電流也是非常重要。

頻率的選擇也會影響功耗。工業、科學和醫療(ISM)無線電頻段中,可以採用的頻段是2.4GHz或低於1GHz的頻率。主流的 2.4GHz協定是Wi-Fi、Bluetooth和ZigBee。但是,在低功率和低資料率的無線監測應用中,低於1GHz的無線系統具有幾個優點,包括功耗降低和給定功率時距離更遠。

佛利斯方程式(Friis Equation)對低於1GHz無線電的優良傳播特性進行定量,顯示出2.4GHz的路徑損耗比900MHz的路徑損耗高8.5dB。對於900MHz無線電來說,這可轉化為讓距離增加到2.67倍,因為功率每增加6dB,傳輸範圍約增加一倍。如果要匹配900MHz無線電的範圍,2.4GHz解決方案將需要大於8.5dB的額外功率。低於1GHz的ISM頻段多半是應用於專用的低工作週期連結(low-duty-cycle link),不太可能會相互干擾。更安靜的頻譜意味著傳輸會更容易,重試的次數會更少,效率會更高,並節省電池功率。

對任何微型化平台來說,收發器封裝的選擇都是一個關鍵因數。不僅封裝尺寸很重要,而且,對最終設計來說,接腳陣列配置和RF電路阻抗匹配也非常重要。CSP是一個非常理想的平台,可以在剛性和軟性基板上實現PCB電路的微型化和高密度佈局。CSP球形陣列上的接腳輸出讓RF埠可以採用更少的元件,從而實現簡單的佈局和簡化的RF匹配電路。下圖是擁有簡化的RF電路之CSP實例,此一簡化的RF電路中有嵌入的環形天線。

20170627_Microsemi_TA51P1 圖1:經過簡化後的RF電路設計,擁有嵌入環形天線,並採用晶片尺寸封裝

以合適的電路設計平衡功率和性能

實現所要求的無線電性能,同時還要滿足極低功耗和封裝尺寸小的要求,是一件非常具有挑戰性的工作。為了滿足通訊要求和功耗的規定,細心選擇無線電架構和組成元件非常重要。

下圖所示的美高森美(Microsemi) ZL70550收發器,就是這些因素在經過仔細平衡過後所產生之解決方案的一個範例。該收發器位在一大約2mm × 3mm 的CSP內,擁有標準的雙線及串列週邊介面,可利用任何的標準微控制器來進行控制和資料傳輸。在與ZL70550收發器結合後所得到的解決方案,可用來開發採用CR系列鈕扣型電池來連續不斷運行的無線感測器解決方案。

ZL70550是低功耗應用的理想選擇,它在RX模式時擁有超低的2.4mA電流,在TX模式時擁有2.75mA電流,以及業界領先的10nA超低睡眠電流。ZL70550的低功耗性能使價格便宜的鈕扣型電池或小型的鋰電池能夠支援穿戴式產品,實現連續的資料串流。下圖是一個在低功耗應用中的ZL70550收發器。

20170627_Microsemi_TA51P2 圖2:基於ZL70550的典型無線感測器方塊圖

隨著微功率電池的出現及超低功率收發器技術的進步,業界現在能夠製造出智慧且靈活的無線感測器。為了因應各種關鍵設計的問題,以便讓使用單節小電池的穿戴式無線裝置能夠對生物訊號進行長期的連續監測,選擇一款合適的收發器是其中的關鍵。今天的超低功耗收發器在各種與使用反轉技術有關的要求之間求得平衡,從而提供了一種結合性能和功率效率的方案,以便以低電流實現最高的可能增益。