【应用】基于Si4463无线传输芯片的智能家居报警系统915M Sub-1G无线传输应用设计方案，超低功耗实现长使用寿命

时间： 2020-04-28 来源：世强

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随着智能家居的发展和信息安全性的提高，低功耗无线供电设备的需求越来越多，且对信息安全，传输距离等性能都有所要求。SILICON LABS的Si4463是一款高性能，低功耗的无线传输芯片，无疑在智能家居的应用中是个很好的选择。本文主要讲述了Si4463在家居报警上的应用，该无线通信协议是采用915MHz的Sub-1GHz私有协议。应用系统设计框图如下，报警入侵检测设备检测到报警信号后，将报警信息和抓取的音视频信息传输到网关，网关再通过LTE或者wi-fi网络传输到报警中心处理。报警入侵探测设备采用CR123A电池供电。

（1）基于915MHz的原理图设计

图1：流程框图

图2：电路原理图

原理图设计时特别注意以下几点：

· 晶振的选型

为了满足设计需求和稳定，在该应用中，915MHz的晶振30MHz选择参数如下：

可调精度@ + 25 °C: ±10 ppm

频率稳定性 -20 to +70 °C: ±10 ppm

负载电容: 8 - 10 pF

等效阻抗: < 60 Ω

· 电源供电设计

在网关中设计时，选用3.3V的LDO给Si4463供电，注意该LDO的电流需要支持到150毫安以上，由于协议采用跳频方式，所以LDO需选用瞬态响应好的。

在报警入侵检测设备端设计时，考虑到设备使用CR123电池供电，电池供电电压是变化的，但是Si4463芯片有个特性，输出功率随供电电压的变化而变化。因此要满足20dBm的输出功率，需要将供电电压调到3.3V，且要满足MCU和Si4463两端的通信电平一致，所以将CR123A电池电压用一个Boost芯片升压到3.3V给MCU和Si4463供电。

图3：输出功率随供电电压的变化图

· 滤波设计

在网关原理图设计时，如果网关上有LTE通信，为了防止LTE模块对Si4463 915M频段造成干扰，在Si4463接收链路上需要加上SAW Filter.如下所示：

图4：Si4463接收链路电路设计

（2）Si4463基于915MHz的PCB Layout设计

· 报警入侵设备端PCB Layout设计（不含SAW）

a.电源滤波电容靠近电源管脚放置，滤波电容的地和si4463芯片的地回路尽可能小。

b.天线输出端保证50ohm的阻抗匹配

c.TX和RX边用较大的区域地隔离，增加隔离度。

d.器件和trace下面一层保证有一个完整的地平面。

e.接收端RX的匹配网络尽可能远离RF switch，连接trace需要满足50Ohm阻抗。

f.为了避免RF switch后产生一些谐波信号，因此在RF switch的输出端需要加上Pi 型低通滤波电路，有利于过FCC认证。

图5：Si4463基于915MHz的PCB Layout设计

· 网关端PCB Layout设计（含SAW）

除了遵循报警入侵设备端PCB Layout设计之外，还要特别注意SAW Filter

的layout设计，SAW Filter的输入输出和地组成的回路要尽可能小；SAW Filter

的下一层保证一个完整的地。

图6 网关端PCB Layout设计（含SAW）

（3）基于915MHz的安防报警产品调试

· 晶振频率校正

在该应用中，频偏要求要满足+/- 5ppm,因此需要对晶振频率进行一个校正。Si4463的负载电容主要通过GLOBAL_XO_TUNE API来设置，频偏和设置寄存器有如下关系，整个内部负载电容是11pF,在127步内可调整。根据所选晶振写入一个默认值，保证频偏尽可能小，最终产品量产时可在默认值的上下进行微调校正，最终满足+/-5ppm的要求。

图7：频偏

· 发送功率设置

Si4463可根据PA_PWR_LVL来设置发送功率等级，具体发送功率等级可根据应用要求来设置。例如要满足20dBm的传导发送功率要求，则PA_PWR_LVL需设置为0x7F, 16dBm的传导发送功率要求，则PA_PWR_LVL需设置为0x4F.

图8 发送功率等级

· 接收信号强度RSSI

RSSI的配置可通过MODEM_RSSI_CONTROL API来设置，通过GET_MODEM_STATUS 命令来获取RSSI_value. 通过下面的公式可转换为dBm:

RSSI (in dBm) = (RSSI_value /2) – RSSIcal

RSSIcal依赖于匹配网络，模式设置和外部的LNA增益；RSSIcal值可以通过在天线输入端连接一个信号发生器进行简单校正得到，没有外部LNA的情况下，RSSIcal值在130+/-30左右。

（4）基于915MHz的安防报警产品的测试

在功率设置好和频偏校正好之后，对产品的RF性能进行天线效率，传导发送功率，辐射发送功率和接收灵敏度（包括传导和辐射）发送和接收电流，拉距等性能进行测试。辐射等相关性能取决于天线的设计，传导测试结果显示如下：

电池寿命：

该通信系统采用了915MHz的Sub-1GHz无线通信协议，为了保证高速率时的传输距离和电池寿命，在探测设备和网关互相监听时38.672kbps，功率等级配置寄存器设为0x4F，当有视频数据传输,速率为300kbps时，功率等级配置寄存器设为0X7F，传输距离可达600米以上。整机standby电流包括MCU+Si4463无线通信， standby电流为 59.68uA. 2节CR123A电池并联可用4.9年。

Si4463跳频模式和传输速率快，接收灵敏度高，20dBm的发送功率优势能很好的支持图片和视频流传输。目前该产品也卖于欧美家居报警系统市场。

Si4463满足该智能家居安防报警中的无线传输应用的特性如下：

· 频率范围： 119～1050MHz

· 接收灵敏度高达-126dBm

· 最大输出功率可达20dBm

· 调制方式有(G)FSK,4(G)FSK,(G)MSK,OOK

· 电压供电范围1.8～3.6V

· 超低功耗power down mode: 30nA shutdown,50nA standby.

· 数据传输率支持 100bps 到 1Mbps

· 快速唤醒和跳频

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老魏 Lv7. 资深专家 2020-06-05

厉害

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