【应用】基于EFR32MG21作为zigbee接入单元和SGM2205作为电源转换芯片设计的智能家居zigbee网关产品

时间： 2019-08-15 来源：世强

技术问答

笔者有参与一款智能家居zigbee网关产品研发，该产品内置zigbee单元与WiFi单元。Zigbee单元基于芯科科技多协议无线SOC芯片EFR32MG21A020F512IM32-B设计，WiFi单元基于乐鑫ESP32-DOWD双核芯片设计，zigbee芯片和WiFi芯片通过串口交互数据，并选用圣邦微SGM2205-ADJXTDB8G/TR电源芯片实现5V转3.3V为zigbee和WiFi芯片供电，系统设计框图如图1所示。

图1 系统设计框图

EFR32MG21是 SILICON LABS最新推出的Gecko系列2 SoC芯片，相比Gecko系列1产品具有更高性价比，基于EFR32MG21芯片的外围电路设计原理图如图2所示。本应用之所以选择EFR32MG21作为zigbee接入单元，主要基于其以下特性：

1. 支持zigbee 3.0、蓝牙5.0、Thread多协议运行；

2. 采用32位Cortex-M33内核，相比Cortex-M3内核，安全性更高，更适合家居应用场景；

3. 内置Flash和RAM存储，无需外部存储单元，节约设计成本；

4. 内置PA单元，无需外部PA，可实现最高20dBm功率输出，信号覆盖更好；

5. 无线接收性能好，在125kbps GFSK的条件下，灵敏度为-104.9dBm；

6. 丰富的外设接口，多达20个GPIO，并且可灵活定义外设接口与GPIO管脚的映射；

7. 内置可调晶振负载电容，可简化电路设计。

EFR32MG21还具备如下特性：

1. 最大支持1024KB Flash，96KB RAM，并有多种版本供用户灵活选择；

2. 工作电压范围1.71~3.8V，非常适合电池供电产品选用；

3. 支持EM0-EM4多种模式下工作，EM4模式下工作电流可低至1uA以下（3V供电并使用外部时钟）;

4. 典型发射电流185mA(3V供电，在2.4Ghz频段20dbm功率输出);

5. 各种调制模式和通信速率下，典型接收电流都小于10mA；

6. 可在-40 ~+125℃温度范围工作。

图2 EFR32MG21原理图设计

在使用EFR32MG21进行产品设计时注意事项如下：

1、 PCB设计时，滤波电容尽量靠近芯片供电管脚放置；

2、内部LDO输出不能用于给外部电路功能，并且DECOUPLE电容范围需保障在0.75~2.75uF之间，典型值为1uF，笔者最初设计错用10uF电容，导致EFR32MG21无法正常工作；

3、 AVDD上电不能晚于IOVDD和DVDD;

4、当EFR32MG21芯片不供电时，RESETN复位输入管脚不能拉高，否则可能导致器件损坏；

本应用选用SGM2205-ADJXTDB8G/TR实现USB接口输入5V电源转换，并为WiFi和zigbee部分提供3.3V电源。 SGM2205系列是圣邦微推出的低压差、低噪声、高耐压LDO ，国产芯片具有较高性价比，实际应用电路如图3所示，工作时实测电源纹波数据如图4所示，电源纹波值55.6mV。本应用选用SGM2205作为电源转换芯片主要基于其以下特性：

1. 可实现800mA持续输出电流，可满足zigbee单元和WiFi单元数据发送时电流需求；

2. 输出噪声低，可提高产品系统稳定性和射频性能指标；

3. 支持过温、过流保护；

4. 可在-40 ~+125℃温度范围工作；

5. 最小3X3mm的TDFN封装，节约PCB面积。

SGM2205还具备如下特性：

1. 输入电压范围：2.5V to 36V；

2. 低压差满载：800mA@480mV；

3. 最低可实现75uA静态功耗；

4. 低温漂、高可靠性；

5. 除TDFN封装外，还支持绿色无卤SOT-223-3、SOIC-8、TO-263-5B和SOT-89-3 封装；

图3 SGM2205原理图设计

图4 SGM2205输出电源纹波

本产品设计采用70mm直径的圆形完成设计，考虑网关产品，需要提高信号覆盖性和信号稳定性，设计中采用了成本适中的马口铁天线设计，并在天线附近PCB做净空处理，最终PCB设计图如图5所示。

图5 产品PCB设计图

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羊羊任阳阳 Lv7. 资深专家 2020-12-26

学习了

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产品型号	品类	Protocol Stack	Frequency Band @ Max TX Power(GHz@dBm)	Flash(kB)	RAM(kB)	GPIO(个数)	Operating Temperature(℃)	Storage Temperature(℃)	Pin Count	AVDD Supply Voltage(V)
EFR32MG12P433F1024GL125-C	Gecko Multi-Protocol Wireless SoC	Bluetooth LE Zigbee Thread Proprietary, Wi-SUN	2.4GHz @ 19dBm, Sub-GHz @ 20dBm	1024kB	256kB	65	-40℃~85℃	-50℃~150℃	BGA125	1.8V~3.8V

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