低功耗射频产品设计经验 V1.0

关于低功耗射频产品的硬件设计经验梳理及汇总，一张图带你完全了解相关内容，通过思维导图帮你提高效率，赶紧来试一试吧~

低功耗射频产品设计经验

• 硬件设计
  • MCU&RF选型
    • MCU的休眠功耗尽量低
    • MCU的休眠启动时间尽量短
    • RF芯片的0dBm发射功率尽量低
    • RF芯片的长接收功耗尽量低
    • RF芯片的收发转换时间尽量短
    • 常用2.4G选型
      • MCU
        • STM8L
        • STM32L
        • MSP430
      • RF
        • Nordic
        • TI
        • Holtek（合泰）
        • Amiccom（笙科）
  • SOC选型
    • SOC的休眠功耗尽量低
    • SOC的休眠启动时间尽量短
    • RF模块的0dBm发射功率尽量低
    • RF模块的长接收功耗尽量低
    • RF模块的收发转换时间尽量短
    • 常用2.4G选型
      • 海外
        • Nordic
        • Silicon Lab
        • TI
        • CSR
        • Dialog
      • 国内
        • 泰凌微
        • 奉加微
  • 外围电路
    • 上下拉电阻
      • 优先MCU使用内部上下拉电阻，跟随工作状态变化实时改变配置状态
      • 外部上下拉电阻，在保证不影响功能的前提下阻值尽量大
    • flash
      • 片上flash
        • 读、写、擦除速度尽量快
        • 单次读、写、擦除功耗尽量低
      • 片外flash
        • 工作电压≤2.3V
        • 读、写、擦除速度尽量快
        • 单次读、写、擦除功耗尽量低
      • 所有测试均需进行10w读写擦除测试
    • 外设模块
      • 外设模块功耗尽量低，尽量支持深度休眠模式
      • 设计电源开关电路，必要时切断电源来将降功耗
      • 采用一次性放电电池时，需考虑电池后期低电压时外设的上电脉冲电流影响（电池放电率），再决定选择“切换电源”方式还是“深度休眠”方式
      • 外设工作结束后及时重置通信接口，放置发生漏电问题
    • layout
      • 严格遵守官方参考设计的layout要求
      • 所有电容的排布，尽量远离板边和容易出现机械应力的区域
      • 预留测试点，尽量统一排布在板子边缘部分，远离其它电子器件
      • 电容损坏导致的漏电问题，是低功耗产品良品率的一大难题
    • NFC
      • 透传式
      • 纯Tag式
      • 可用于低功耗产品的唤醒、状态切换、指令写入、临时性业务触发等，成本不敏感的情况下强烈推荐
  • 电源
    • 电池选型
      • 锂锰纽扣电池
        • 适合室内常温环境使用，一般为0~40℃之间
        • 自放电特性和电池瞬时/持续放电能力互斥，取决于化学材质本身
        • 不同的电池配方，脉冲放电能力和持续放电能力不同，最终的放电效率也不同
        • 电池外壳材质以“不锈钢镀镍”最佳，长期接触电阻最小
        • 放电后期内阻逐渐增大，放电压降逐渐变大，故放电率无法达到100%
      • 锂锰纽扣电池组
        • 2~3联居多，4联以上比较少见
        • 使用不锈钢镀镍弹片并联固定，固定工艺采用激光点焊
        • 电池若无反复安装问题，PCB电池焊盘采用化学沉金工艺即可
      • 常用电池厂家
        • 宇峰：性价比最好，脉冲放电特性好
        • 亿纬：同时提供锂锰电池和锂亚电池
        • 松下：性能最优，价格较高，大批量供货困难
        • 锂霸：价格最低，但品质有待时间检验
      • 锂锰软包电池
        • 适合室内低温及常温环境使用：-20℃~60℃（接近极限温度时，性能会下降）
        • 放电特性比纽扣电池更好，且内阻更小
        • 通常采用“端子连接”或“极耳焊接”方式
        • 电池尺寸灵活，产品空间结构利用率更高，电池容量更大
        • 推荐使用场景
          • 不低于-20℃的低温冷库环境，可以替代锂亚电池。拥有更好的放电特性和性价比
          • 常温环境大电流放电场景，如：Cat1、NB-IoT等应用场景
          • 大容量、长寿命、小产品体积（厚度）场景
      • 锂亚电池
        • -55℃~85℃使用环境
        • 极高能量密度
        • 极低的自放电电流
        • 放电范围2V~3.6V左右
        • 圆柱形居多
        • 瞬间放电能力相对较差
        • 电池使用后期，内阻大增，放电能力更差
        • 推荐使用场景
          • 超低温户外使用场景，如：东三省
          • 超长使用时间要求场景，如：ETC（10年）
      • 可充电聚合物锂电池
        • 聚合物锂电池
          • 材质1？
          • 材质2？
          • 材质3？
        • 通常放电电压：2.75V~4.2V
        • 充电电流通常不超过0.5C
        • 放电电流通常不超过1C
        • 实际充电温度范围：0℃~45℃
        • 实际放电温度范围：-10℃~60℃
        • 标称充电温度范围：10℃~45℃
        • 标称放电温度范围：0℃~60℃
        • 运输鉴定对电池外观和丝印有要求
        • CE认证影响
          • CE认证要求：测试条件温度区间比标称温度区间大10℃
          • 常规材质电池-10℃~0℃时，1C充电会发生爆炸问题
          • CE认证要求过温保护，环境温度超过50℃时必须强制停止充电
    • 电池连接
      • 直接焊接方式
        • 连接可靠，长期稳定性好
        • 电池到PCB的接触电阻小且稳定
        • 电池不具备可更换性
        • 产品整体的震动和跌落测试容易出问题
      • 端子方式
        • 连接可靠，长期稳定性好
        • 产品一致性较好，具备放松、防呆等
        • 成本相对较高些
        • 电池可更换性一般，端子通常较小，操作困难
      • 电池弹片方式
        • 通常配合电池盒使用，电池可更换性较好
        • 性价比高于端子连接方式
        • 稳定性、一致性较差，弹片的力度较难把控
        • 电池和PCB之间的接触电阻较高，影响电池放电效率
      • 电池座方式
        • 电池可更换性最好，通常用于C端市场，可直接购买标品电池进行更换
        • 长期稳定性最差
        • 成本相对最高
        • 电池和PCB之间的接触电阻最高，影响电池放电效率
    • 电量检测
      • 放电模型
        • 针对真实使用场景进行放电模式抽象，进行真实放电模式的放电实验
        • 针对真实使用场景进行极限高低温的放电实验
        • 上述测试均需专业电池放电设备，可由供应商协助完成
      • 电压采样
        • 采样时间
          • 一次性放电电池必须在最大负载电流时进行采样（电池放电时电压跌落问题导致）
          • 循环放电电池一般可在任意时间采样（放电电流一般不超过1C，没有电压跌落问题）
        • ADC
          • 至少10bit|12bit的ADC采样分辨率
          • 滤波：多次采样求平均值/平滑滤波等等
        • 参考电压
          • VCC电压，必须是稳定电压
          • MCU内部参考电压
        • 电压输入
          • 输入电压必须小于ADC参考电压
          • 使用分压电阻控制输入电压
            • 分压比例最好为2进制倍数，提升MCU计算效率
            • 分压电阻严格控制
              • 阻值太大：ADC采样电流不够，采样不准
              • 阻值太小：ADC采样功耗太大
    • 电池充电
      • 充电管理IC
        • 非控制型电池充电管理IC
          • 线性电池充电管理IC
            • 使用范围广、性价比高
          • 升降压电池充电管理IC
            • 输入电压范围大
            • 支持MPPT，即最大功率跟踪
          • 开关电池充电管理IC
            • 输入电压范围大
            • 支持MPPT，即最大功率跟踪
          • 脉冲式电池充电管理IC
            • 静态功耗极低
        • 控制型电池充电管理IC
          • SMBus
          • SPI
          • I2C
      • 线性电池充电管理IC
        • 必须支持标准“三段式/四段式”充电
          • 涓流充电/预充电
            • 通常电池电压＜2.9V
            • 充电电流=恒流充电电流/10
          • 恒流充电
            • 2.9V＜通常电池电压＜4.1V
            • 0.2C＜通常充电电流＜0.5C
          • 恒压充电
            • 4.1V＜通常电池电压＜4.2V
          • 充电截止
        • 支持定时器管理功能
          • 支持充电超时关闭
          • 支持自动重启充电周期
        • 充电电流可调
          • 通过固定关键对地电阻阻值调节
        • 支持充电状态指示
          • 充电中
          • 充满
          • 异常提示
          • 通过管脚状态指示
        • 支持芯片使能/禁用
          • 禁用时的静态功耗越低越好
          • 未充电时，MCU需主动禁用
        • 5V输入电压，可以USB直接供电
    • 外供电/电池供电切换部分
      • 二极管自动切换
        • 优点
          • 电路简单
        • 缺点
          • 二极管导通压降带来功耗损失，大量发热
          • 不同材质二极管可能带来较大反向漏电流，损害电池寿命
      • MOS管自动切换
        • 优点
          • MOS管导通内阻小，能量损耗小
        • 缺点
          • 电路较复杂，成本略有增加
  • RF性能
    • 射频发射
      • 阻抗匹配
        • 标准50欧姆阻抗
        • 高中低三频发射功率误差不超过1dBm
        • 杂散、二次谐波、三次谐波符合目标认证要求
      • 射频天线
        • 2400MHz~2500MHz
        • 驻波比＜2
        • 天线效率大于30%
        • 天线方向性
    • 射频接收
      • 灵敏度测试
        • 使用信号发生器直接模拟调制信号，通过同轴线馈入信号
        • 高中低三频接收灵敏度误差不超过2dBm
        • 通信速率高低和接收灵敏度高低成反比
    • 注意事项
      • 阻抗匹配、天线性能和接收灵敏度均分开单独调试
      • 发射和接收相关调试均需进行高低温和实际场景测试
      • 接收灵敏度的测试仪表型号和测试程序可由原厂提供
    • 射频稳定性
      • 时钟源
        • 无源晶体
          • 频偏
            • 目标温度区间内，±10ppm
          • 老化速度
            • 第一年小于3ppm以内
          • 外壳工艺
            • 成本不敏感的前提下，优先考虑金属封装形式
          • 晶圆固定方式
            • 外壳使用超声焊工艺时必须采用“多点胶”固定方式
          • 起振时间&振动幅值
            • 目前温度区间保持一致性，符合规格指标
        • TCXO
          • 基站端优先考虑使用TCXO，保证长期稳定性
      • 测试座
        • 射频信号输出端到天线之间增加射频测试座
        • 量产前期的几万套焊接测试座进行全检，后期生产品质稳定后去掉，改焊0欧电阻
      • 供应商
        • 电感
          • Murata
          • Taiyo
          • 奇力新/顺络
        • 电容
          • Taiyo/TDK/Murata
          • Yageo/Walsin
          • SAMSUNG
    • 通讯距离
      • 低功耗设备上行通信使用低功率、低速率
      • 基站设备下行通信使用大功率、高速率
      • 概要
        • 通信距离由发射和接收共同决定，缺一不可
        • 低功耗设备由于发射功率限制，可以选择更低的上行速率来弥补
        • 举例：上行：125Kbps/0dBm 下行：500Kbps/5dBm
• 硬件测试
  • 测试方法/思路
    • 基础功能测试
    • 性能指标测试
    • 极限压力测试
    • 从产品需求和用户场景出发进行测试方案设计
  • 测试重点
    • 功耗
      • 静态功耗：深度休眠模式
      • 动态功耗：典型业务场景
        • 平均功耗
        • 峰值功耗
      • 外设功耗：符合规指标
        • 典型业务功耗
        • 静态休眠功耗
        • 上电启动功耗/休眠唤醒功耗
      • 射频功耗：符合规格指标
        • 发射功耗
        • 接收功耗
        • 典型业务动态功耗
      • 上电脉冲电流：符合电源系统规格指标
        • 电池放电能力
        • 电源芯片放电能力
      • 根据典型场景和典型使用模型进行产品使用寿命的估算
    • 射频
      • 发射功率
      • 接收灵敏度
      • 频偏
      • 杂散
      • 二次谐波
      • 三次谐波
      • 概要
        • 高中低三频测试
        • 高低温测试，每10℃一个温度点
        • 符合产品目标认证规格：CE、FCC
    • 功能外设
      • 基础功能测试
        • 基础功能测试
        • 电源稳定性测试：纹波、干扰等
        • 通信接口信号测试：过冲、振铃等
      • 实验室性能指标测试
        • 温湿度工作指标
        • 通信性能：数量、速度、距离、干扰等
        • 功能外设指标：极限压力测试等
      • 模拟真实场景功能测试
        • 通信性能：数量、速度、距离、干扰等
        • 功能外设指标：极限压力测试等
      • 所有测试均以实际功能场景为准
    • RA测试
      • 震动/跌落测试
      • EMC测试
      • 高低温冲击老化实验
      • 所有测试均以需求规格指标为准
  • 测试设备
    • 万用表
    • 示波器
    • 电流计
    • 电源
      • 安捷伦：N6705B+N6781A
    • 频谱仪
    • 频率计
    • 信号发生器
    • 矢量网络分析仪
    • 概要
      • 二手仪表|短时租赁
      • 定期校准|每年一次
    • 高低温箱
    • 屏蔽室
• 结构设计
  • 常见结构工艺
    • 卡扣
    • 螺丝固定
    • 超声焊
    • 双面胶
    • 点胶工艺
    • 通常为多种工艺结合的方式，根据产品需求合理选择
  • PCBA固定
    • 卡扣固定
    • 螺丝固定
    • 滑道固定
    • 使用卡扣方式时，必须提供生产专用的辅助装配工具。该操作环节，是造成电容损坏的重要因素之一，最终导致发货产品出现大电流问题
  • 生产工装
    • 多采用底部下针的方式
    • 严格控制测试顶针的行程和力度，防止出现不必要的机械应力损伤
    • 所有下针的测试点，另一面必须有对应的结构支撑，防止发生机械应力带来的损伤。包括PCBA测试和整机测试
    • 通常电源顶针会稍长于信号顶针，优先接触PCBA对电路进行上电
    • 生产工装设计不当，也是造成电容损坏的重要因素之一
• 软件设计
  • 电源管理
    • 休眠管理
      • 所有外设在主程序休眠前必须配置进行休眠状态或进行断电
      • 所有GPIO管脚包括外设通信管脚，在主程序进入休眠之前必须进行低功耗配置
    • 电压检测
      • 最好包含在心跳信息中定期上报，用于评估一次性放电电池剩余电量
      • 建议采用“优良中差”四种状态进行指示，不透露具体电压值和剩余使用寿命
    • 主动充电管理
      • 通过MCU控制充电过程
        • 输入：ADC电池电压检测
        • 输出：电池充电芯片控制管脚信号
      • 采用“迟滞曲线”管理充电阈值
        • 上电后低于4.1V立即开始充电
        • 充满后低于4.0V重新开始充电
    • 关键信息记录
      • 当前心跳次数
      • 历史心跳次数
      • 当前核心业务次数
      • 历史核心业务次数
      • 注意
        • 需考虑更换电池的因素
        • 可用于后续售后定责
        • 支持数据上报和读出
  • 心跳信息
    • 设备ID
    • 软件版本
    • 硬件版本
    • 电池电压
    • 设备类型
    • 当前温度
    • 温度异常报警
    • 当前心跳次数
    • 历史心跳次数
    • 可用于后续售后定责
    • 。。。
  • 状态管理
    • 生产状态
    • 库存/运输状态
    • 客户激活状态
    • 漫游快速入网状态
    • 售后维修状态
    • 可以考虑通过按键或NFC等方式进行状态切换或触发
  • 程序架构
    • BootLoader
    • 正式程序App
    • 产测程序App
    • 概要
      • 必须支持远程升级，版本回退等
      • 正式程序App和产品程序App在代码空间足够的情况下，最后同时包含。可以提升生产效率，方便售后检测等等
      • 代码空间不足时，建议采用二次烧录的方式进行程序变更，降低出错概率