【经验】Silicon Labs无线SoC芯片EFR32FG23和EFR32ZG23的原理图设计介绍

时间： 2022-01-08 来源：世强

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EFR32FG23 SoC芯片和EFR32ZG23 Z-Wave SoC芯片是适用于智能家居、安全、照明、楼宇自动化和计量的Sub-GHz“物联网”的理想解决方案。高性能 Sub GHz 无线电提供长距离通信，并且不易受到来自 WiFi 等技术的 2.4 GHz干扰。EFR32FG23和EFR32ZG23芯片的硬件可以pin to pin兼容，芯片外围电路也是一样的。本文主要介绍如何设计SILICON LABS的EFR32FG23和EFR32ZG23无线SoC芯片的原理图，包括供电电路、复位电路、晶振电路、射频匹配电路和调试接口电路等介绍，方便用户设计自己的电路。

1、供电电路

EFR32FG23和EFR32ZG23芯片跟供电相关的引脚有 IOVDD、AVDD、DVDD、VREGVSS、VREGVDD、VREGSW、DECOUPLE、PAVDD、RFVSS、RFVDD。

各个供电引脚的功能如下图所示：

各个供电引脚的电压得遵守如下关系，不然可能会导致设备损坏和或者电流消耗增加：

• AVDD and IOVDD ：不依赖彼此或任何其他电源引脚

• VREGVDD ≥ DVDD

• DVDD ≥ DECOUPLE

• PAVDD ≥ RFVDD

EFR32FG23和EFR32ZG23芯片有三种典型的供电电路：

第一种：所有的供电引脚都使用外部电源VDD供电。这种供电方式的优点是可以支持最大+20dBm的发射功率，但是没有DCDC供电方式省电。注意如果不使用芯片内部DCDC供电，需要把VREGVDD连接到DVDD，把VREGSW引脚悬空，VREGVSS引脚接地。

第二种：将DVDD、RFVDD、PAVDD使用芯片内部的DCDC供电，其他供电引脚使用外部电源VDD供电。这种供电方式是最省电的，但是只能支持+14dBm及以下的发射功率，如果要设计为+20dBm发射功率产品，就不能使用这种方式来供电。

第三种：将DVDD、RFVDD使用芯片内部的DCDC供电，PAVDD和其他供电引脚使用外部电源VDD供电。这种供电方式比第一种供电方式省电，而且又能支持+20 dBm的发射功率，所以比较推荐使用这种方式来设计供电电路。

EFR32FG23和EFR32ZG23芯片具体的供电电路可以参考以下原理图，其中VMCU建议接3.3V电压，如果需要支持+14dBm以上的发射功率，需要将PAVDD接到VMCU；如果只需要+14dBm或者以下的发射功率，可以将PAVDD接到VDCDC。

EFR32FG23和EFR32ZG23芯片供电电路的详细设计要求，可以参考文档：AN0002.2: EFM32 and EFR32 Wireless Gecko Series 2 Hardware Design Considerations 的“2. Power Supply Overview”和“3. Example Power Supply Configurations”。

2、复位电路

EFR32FG23和EFR32ZG23芯片的RESETn 引脚内部有上拉到DVDD，所以RESETn 引脚外部不需要接上拉电阻，而且连接RESETn 引脚的电压不能超过DVDD的电压。建议如果 RESETn 引脚连接到外部设备，它只连接到开漏信号以避免当 RESETn 引脚没有被驱动为低电平时造成的不必要电流消耗。EFR32FG23和EFR32ZG23芯片的复位电路可以参考如下原理图。

3、晶振电路

EFR32FG23和EFR32ZG23芯片的参考设计和数据手册等资料都使用了39MHz的高频晶振，所有Sub-GHz RF测量也使用39MHz晶振进行。EFR32FG23和EFR32ZG23芯片也能支持其他晶振频率，比如38.4 MHz的晶振，但是RF性能可能会跟数据手册的数据有所不同。建议使用额定负载电容为10pF的晶振，晶振的ESR建议为40Ω，ESR最大不能超过60Ω。

EFR32FG23和EFR32ZG23芯片的高频晶振电路如下所示，由于芯片内部有可调的负载电容，所以外部不需要再加负载电容。

在一些窄带的应用，或者EFR32FG23芯片使用O-QPSK DSSS调制并且通信速率小于9.6kbps时，需要使用TCXO有源晶振。下图是DSSS调试下不同通信速率对于晶振精度的要求。

如果使用了TCXO晶振，可以参考如下原理图设计晶振电路，由于TCXO比较耗电，所以可以将TCXO的供电引脚通过电阻连接到芯片的GPIO，在芯片需要休眠时，可以通过GPIO将TCXO断电。

在普通应用中EFR32FG23和EFR32ZG23芯片的低频晶振可以使用芯片内部的32.768kHz的RC振荡器，而不需要使用外部的32.768kHz晶振。在一些对32.768 kHz晶振的精度要求比较高的应用，可以外接一个32.768kHz晶振。如果32.768kHz晶振的负载电容大于12pF就需要加外部负载电容，如果晶振的负载电容在12pF之内就不用加负载电容，可以按照下图设计低频晶振电路。

EFR32FG23和EFR32ZG23芯片对于晶振的具体要求可以参考文档：AN0016.2: Oscillator Design Considerations Application Note

4、射频匹配电路

EFR32FG23和EFR32ZG23芯片的射频匹配电路可以按照下图设计，然后根据需要的频率和发射功率在下表中选择对应元器件的参数，表格中标注为 N.M. 的元器件就不用贴。

EFR32FG23和EFR32ZG23芯片的射频匹配电路的详细介绍可以参考文档：AN923.2: EFR32 Series 2 sub-GHz Matching Guide

5、调试接口电路

EFR32FG23和EFR32ZG23芯片使用VDD、SWDIO、SWCLK、VSS这四个接口连接J-Link就可以实现调试和下载固件功能；为了方便芯片出问题可以recover芯片，建议把RESETn 引脚也连接到调试接口；如果空间允许，也可以把SWO/SWV引脚接到调试接口，它可用于仪器跟踪和程序计数器采样。

EFR32FG23和EFR32ZG23芯片的调试接口详细介绍可以参考文档：AN0002.2: EFM32 and EFR32 Wireless Gecko Series 2 Hardware Design Considerations 的“4. Debug Interface and External Reset Pin”。