【应用】SGM66099升压芯片与EFR32MG21低功耗32位SoC在智能家居人体红外传感器设计中的应用
笔者设计一款智能家居人体红外传感器应用，本应用设计中的人体红外传感器采用3V纽扣电池供电， SILICON LABS最新Gecko系列2的EFR32MG21芯片做主控，圣邦微超低静态功耗的升压芯片SGM66099实现对数字式热释电红外传感器供电，系统设计框图如图1所示。Gecko系列2作为Gecko系列1芯片的升级，支持多种功耗模式运行，支持多协议，宽电压范围工作，高安全性，性价比高，是Zigbee组网应用的理想选择。
图1 人体红外传感器设计系统框图
本应用选用EFR32MG21，主要基于其以下优势特性：
1、 支持蓝牙5.0、Zigbee、Thread多协议运行，可满足不同应用需求；
2、 支持1.71~3.8V宽电压范围工作，非常适合电池供电产品使用；
3、 支持EM0-EM4多种模式下工作，3V供电并使用外部时钟，EM4模式下工作电流可低至1uA以下;
4、 内置PA，最大输出功率20dbm，可实现远距离通信；
5、 内置最大1024KB， 最大96KB的RAM，并有不同容量版本可供灵活选择。
本应用的传感器供电采用圣邦微固定3V电压输出的 SGM66099-3.0型号设计，采用3V输出型号主要是为了降低传感器功耗，延长电池寿命。 本应用之所以选用SGM66099作为传感器供电芯片，主要基于SGM66099的以下优势特性：
1、 Vout>2.5V时，最大输出电流可达1.62A,可满足各种热释电传感器最大电流需求；
2、 输入电压范围0.9V~5.2V，3V纽扣电池电池整个放电区间可工作；
3、 当输入电压大于3V输出电压0.3V时，支持直通输出，新的纽扣电池电压最高可达3.3V也可正常使用；
4、 人体红外传感器产品大部分时间处于EM4模式下运行，轻载模式下，典型静态电流低至0.65uA；
5、 效率高，在10uA负载模式下，75%效率，10mA~300mA模式下可高达93%效率，；
6、 采用WLCSP和TDFN小封装设计，非常适合小型化产品使用；
为了降低产品功耗，延长电池工作寿命，本应用中EFR32MG21主要工作在EM4最低运行功耗模式下，并可基于外部管脚中断和定时唤醒，电流消耗数据见图2，在EM4模式下运行电流约1.17uA。 当热释电传感器检测到人体移动信息后，可通过外部中断唤醒EFR32MG21进入EM0工作模式，定时唤醒是为了保持人体红外传感器与Zigbee网关之间的心跳数据通信。 需要注意当EFR32MG21工作在EM4模式下时，只能通过特定的GPIO管脚唤醒，并且只包括PC05、PB01、PA05、PD02这4个管脚。
图2 EFR32MG21工作在EM4模式下电流消耗数据
基于SGM66099与EFR32MG21的智能家居人体红外传感器产品PCB设计效果图如图3所示，SGM66099和EFR32MG21都具有较小封装，非常节约PCB面积。Zibgee组网应用，通信速率低，本应用设计采用板载PCB天线设计，可节约产品设计成本。
图3 人体红外传感器产品PCB设计效果图
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产品型号
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品类
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Protocol Stack
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Frequency Band @ Max TX Power(GHz@dBm)
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Flash(kB)
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RAM(kB)
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GPIO(个数)
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Operating Temperature(℃)
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Storage Temperature(℃)
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Pin Count
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AVDD Supply Voltage(V)
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EFR32MG12P433F1024GL125-C
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Gecko Multi-Protocol Wireless SoC
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Bluetooth LE Zigbee Thread Proprietary, Wi-SUN
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2.4GHz @ 19dBm, Sub-GHz @ 20dBm
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1024kB
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256kB
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65
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-40℃~85℃
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-50℃~150℃
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BGA125
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1.8V~3.8V
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产品型号
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品类
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CH
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Enable
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Vcc (Min)(V)
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Vcc (Max)(V)
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I_OUT(mA)
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Frequency (kHz)
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Iq (μA)
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SHDN Iq(μA)
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Package
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SGM6010
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DC/DC Synchronous Rectifier Buck Converters
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1
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L
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3
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5.5
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3000
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0.41
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