基于HopeRF的CMT2156A的无线自发电开关应用
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华普微公司的CMT2156A 是一款针对微能量收集并进行发射的单芯片，内嵌可配置编码的高性能OOK射频发射器，支持（240~480）MHz 的能量手机无线发射的应用。该芯片集成的编码器兼容市面上最常用的1527、2262 编码格式，还支持自定义灵活性更高的1920 编码，与华普微CMT221x 系列单接收射频芯片配对使用，可以实现低成本且环保的免电池、免布线电子遥控产品。
无线自发电开关无需接入电池、电源等供电设备，完全通过开关的机械动作自主发电产生工作能量。
基本原理是电磁感应，通过手按动、拨动、转动开关的动作来操作磁条切割线圈来产生电能，产生的电能驱动后端的功能、射频电路工作，具体见图1。
图1 无线自发电开关原理
无线自发电开关系统根据功能的简单到高级，常见的系统设计有3 种：
1）单路简易无线遥控应用如图2。典型应用：单路灯控开关、门禁开关、报警开关等。
2）单路多功能无线遥控应用如图3。典型应用：无线门铃。
3）多路遥控应用如图4。典型应用：多路灯控开关、多功能开关组、电器控制开关几遥控开关等。
3 基于华普微CMT2156A的动能开关设计
3.1 CMT2156A的参数特性
1) 微能量收集部分
● 内嵌整流桥支持微能量电机直接接入；
● 内嵌高效DC-DC Buck 电路，效率高达95%；
● 支持发电机抬起检测，可实现首次电量存储至抬起发射；
● 内置PSM 功耗管理，可根据负载需求，调节自身功耗，以节省能量。
2) 高频编码发射部分：
● 频率：（240~480）MHz（CMT2159A 支持Sub-1GHz）
● 速率：OOK：（0.5~40）kbps
FSK / GFSK：（0.5~200）kbps（仅CMT2159A）
● 输出功率：高达13 dBm，单端PA 输出
● 编码方式：支持1527 编码，1920 编码
3.2 CMT2156A的功能模块图[1]如图5。
1）为了减少外围元件数，CMT2156A 采用单引脚晶体振荡电路，晶体振荡所需的负载电容集成在芯片内部。
2） 在每次上电复位（POR）时，芯片内部的模拟模块都根据内部基准电压源校准，可以让芯片在不同温度计电压下更好地工作。
3） 数据发射由按键动作触发，所发射的数据调制后通过一个高效功率放大器发射出去， 发射功率在（-10~13）dBm范围内， 以1 dB步进进行设置。
4）用户可以通过USB Programmer 和RFPDK 将频率、输出功率及其他产品参数烧录到芯片内置EEPROM中，以简化开发及生产，降低成本。用户也可以直接用433.92 MHz 等默认参数的现货库存直接生产，免除生产烧录环节。
图5 CMT2156A的功能模块图
3.3 CMT2156A的应用设计[2]
硬件参考设计图如图6 所示。
图6 硬件参考设计图
1）单端输出匹配电路设计说明
● L1 是取能（Chock，扼流）电感。
● C8，用于减小PA 输出对电源的影响。用户应根据使用环境适当选用。
● C1 是隔直电容，同时与L2 中的部分电抗形成谐振选频。
● ANT 天线，CMOSTEK 提供的DEMO 板用的是胶棒天线。实际应用中，用户可根据实际需要替换为PCB 天线、导线天线或弹簧天线等其他类型的天线。需要注意的是，不同的天线会影响到匹配网络及各元件值的选取。
2）晶体电路设计说明
● 晶体应该尽量靠近CMT215xA/56B，以减少走线寄生电容。这可以有效降低频率偏差的可能。
● 晶体应尽可能远离PA 输出、天线及数字走线，并在其周围尽可能多铺地。这样可有效降低晶体被PA输出干扰的可能。
● 晶体金属外壳接地（比如说49S 插件晶体或柱晶等）。
● 晶体负载电容集成在芯片内，默认为15 pF，片外无需外挂负载电容，用户可以直接选用频率为26 MHz，负载电容为15 pF 的晶体。为了安全起见，建议用户在PCB 上预留测试点，方便在线修改芯片参数。
3）数字信号（包括 DATA 和CLK）设计说明
● 数字信号应尽量远离XTAL 和RF 走线。
● 数字信号应尽可能用铺地围起来，以减少相互串扰。
4）电源及地设计说明为了减轻电源上的噪声/ 纹波对芯片的影响，以及PA 输出对电源的影响， 用户应当在芯片的VDDRF 管脚处（C8） 设计滤波电容。
5）PCB 布板细则
● 尽量用大片的连续铺地设计。
● 地的走线使得电流的回流路径环面积最小，以尽量减小从供电环路向外辐射。
● 芯片底部尽量不要走线，多铺地，以减小对射频输出传输线阻抗的连续影响，并增强ESD 性能。
● PCB 边沿尽量多打间距不超过λ/10 的过孔，以减小PCB 边沿的高次谐波辐射。
● 尽量避免用长和/ 或细的传输线来连接各个元件。
● 相邻的电感要相互垂直摆放以减少相互耦合。
● C0、C5、C8 尽量靠近CMT2156A，以实现更好滤波效果。
● 晶体X1 尽量靠近芯片，金属外壳接地，远离射频输出信号和数字信号。
● C6 与C7 电容可用电解电容与钽电容，要求耐压15 V 以上，电容的大小与电机产生电量有关：电量>400 μJ 的电机，推荐使用C7:100 μF、C6:47 μF；200 μJ< 电量<400 μJ 的电机，推荐使用 C7:68 μF、C6:47 μF；100 μJ < 电量<200 μJ 的电机，推荐使用 C7:47 μF、C6:22 μF。
● R1 电阻的功能主要在于释放Power down 时电路中的电容与电感所存的电荷，使芯片能正常进行power up。其大小由L0 与电容的大小及每秒发射的次数确定，不加R1 电阻或R1 电阻值加得太大，可能按下电机时会误触发芯片进入发射状态或导致上电不成功、无发射。
6）功耗优化考虑说明
对功耗要求比较严格的发射应用中，CMT2156A 提供了多种方法来满足不同应用场景的需求。具体包括：
a）降低发射功率：用户可通过2 种方法来改变发射功率
● 通过USB Programmer 和RFPDK 设置TX Power参数改变芯片的发射功率。
● 在取能电感和电源之间串一个电阻（图中未示出），通过改变电阻值来调节发射功率。但是由于电阻的存在，这种方法会降低发射效率，所以我们推荐使用改变芯片发射功率设置的方法改变发射功率
b）优化匹配网络
匹配网络的目的是把输出阻抗匹配到天线的阻抗上，不当的阻抗会降低发射效率，浪费功耗。根据不同的天线，用户应该借助网络分析仪等工具和手段，设计一套对于具体应用来说较优化的匹配网络，以达到提高发射效率，优化功率的目的。
另外，值得注意的是，降低匹配网络滤波器的阶数，也可以一定程度上提高发射效率，降低功耗。但是滤波器阶数的降低带来的是谐波抑制的减弱，所以这种方法适用于对谐波辐射要求不高的应用场合。
c）提高发射数据率
在同样包间隔的前提下，提高发射数据率可以缩短发射包的时间，从而降低平均功耗（如图7）。值得注意的是，数据率的提高可能会降低接收灵敏度，进而影响传输距离。
d）控制LED 驱动电流
CMT2156A 可以直接驱动LED 以指示发射状态或低电压状态。在LED 与VDD 之间串联限流电阻，在可接受的亮度条件下尽可能地降低由驱动LED 消耗的电流。
7）开发和生产过程中的EEPROM 烧录需要用到连接器J1。
图7 提高发射数据率，可以缩短发射包的时间
4 结束语
CMT2156A 是集成度高的单芯片解决方案，客户仅需选择合适外观结构微能量发电机，并匹配相应储能电容即可完成设计，降低产品设计难度。目前的分立器件方案设计需要选择合适结构发电机、性能好的肖特基二极管作全桥整流，选择低功耗高效率的DC-DC 电源器件，并根据这些器件选择进行发射参数的优化。其次，产品原理虽然简单，但要设计出成本优、性能好的产品，需要一个系统性设计以及反复验证和测试。而使用CMT2156A 则能大量简化这些选型工作，且一致性好。
参考文献：
[1] CMT2156A Datasheet[Z].CMOSTEK.
[2] AN177 CMT215xx原理图及PCB版图设计指南[Z].CMOSTEK.
（本文来源于威廉希尔 官网app
杂志2021年7月期）
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