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        型号：Si4438   品牌：Silicon Labs

　　This application note provides a description of the matching of the TX Power Amplifier (PA) on the Si4438 RFICworking in the 470–510 MHz Chinese AMR band. Specifically, this document does notaddress the matching procedure for the PA on the Si4460/4461 and Si4463 RFICs.The matching network should simultaneously do the following:Target a nominal output power level of +20 dBm (measured at connector to the antenna/load)Obtain this nominal output power at a nominal supply voltage of VDD= 3.3 V

　　Minimize current consumption (i.e., maximize efficiency)Constrain the peak voltage at the drain of the output devicesComply with Chinese AMR specifications for spurious emissionsThe matching procedures outlined in this document will allow for achieving the above-listed goals and areapplicable for three different types of board configurations: one with separate antennas for the TX and RX paths(Split TX/RX board configuration), one with a single antenna and the TX and RX paths tied directly together withoutuse of an RF switch (Direct Tie board configuration), and a third one where the TX and RX paths are connected through a TX/RX switcher. The differences in the matching procedure required for the two board configurations arediscussed in detail.Tables 1 and 2 are provided for users more interested in quickly obtaining matching component values than in themethodology used to develop the matching network. The power state, the current, and power data shown in thesetables are appropriate for a supply voltage of VDD= 3.3 V. At different VDD voltages tuning of the power state isrequired to keep the output power constant.

　　2. Overview of Matching Procedures

　　The PA circuitry in the Si4438 RFIC is not a conventional power amplifier (e.g., Class A/B/C) but instead is of a typeknown as a “switching power amplifier” or “switching power converter”. Use of a switching-type amplifier makes itpossible to obtain levels of efficiency not achievable with conventional amplifiers. However, the matching procedure for a switching PA is quite different and may not be immediately intuitive.The recommended matching approach differs depending upon the desired frequency of operation. In the 470–

　　510 MHz AMR band the recommended PA switching and operation type is the Class E. All reference designs (split,Dt and TX/RX switch) are detailed in this document.

　　故障指示器是一种易于实施、少维护或免维护型低成本解决方案。在32位MCU EFM32JG/PG+射频收发器Si4438 C版本的高度集成解决方案中，实测功耗分别仅为15.45uA和12uA。该方案提供了业界领先的超低功耗性能,使得整个系统信号链范围功耗达到历史新低，且大大降低了设计的复杂性。

　　在环网配电系统中，特别是大量使用环网负荷开关的系统，如果下一级配电网络系统中发生了短路故障或接地故障，上一级的供电系统必须在规定的时间内进行分断，以防止发生重大事故。因此，越来越多的线路故障指示器被用于配电系统中，用来标出发生故障的部分。

　　故障指示器是一种易于实施、少维护或免维护型低成本解决方案，因此对于该设备在配电网中的应用需求日益增长。

　　故障指示器会定时将采集到的数据通过无线的方式传输给无线网络通信节点，节点将数据传送给网关后，网关上传到后台的系统平台。通过系统平台可以观察到每一个故障指示器的数据，从而能够有效地监测配电网络。

　　图1：故障指示器及监测系统

　　故障指示器的系统框图如下图所示，其主要包括能量采集、电源管理、处理器、模拟前端采样电路和通信接口等。在设计中，智能能量采集/管理和超低功耗成为客户对该检测系统的关键要求，因而选择具有低功耗特性的处理器和无线收发器尤为重要。本文为大家介绍Silicon Labs(芯科科技有限公司)的低功耗32位MCU EFM32JG/PG和射频收发器Si4438在故障指示器中的应用方案以及功耗实测情况。

图2：故障指示器系统框图

　　32位高性能超低功耗MCU作为处理器，实测功耗仅为15.45uA

　　Silicon Labs最新推出的超低功耗32位单片机EFM32JG/PG系列，分别基于Cortex-M3和Cortex-M4内核，运行时功耗低至63uA/MHz，内部RTCC工作时，休眠电流只有1.4uA。EFM32JG/PG具有非常广泛的外设选择，并且集成了硬件AES、ECC和SHA加密方式，使其非常适合用于高性能低功耗的应用。

　　高压线中交流电的频率是50Hz，即周期为20ms，故障指示器要想完整地对其采样，一般在一个周期中至少要采样8次，因此，故障指示器的采样频率要求至少400Hz，周期为2.5ms。而考虑到使功耗尽可能低，MCU需要尽可能多的工作在休眠状态，MCU的工作流程一般是：周期休眠2.5ms后唤醒，启动ADC进行采样，并将采样的结果存到缓冲区，然后继续休眠，采样到第8次时，对这8次的采样结果进行处理。在这种情况下，MCU需要频繁地唤醒，对于产品来说功耗往往不会太理想。

　　然而，EFM32PG/JG可以更进一步的降低功耗。该MCU的ADC可以工作在EM2和EM3模式下，并且在不唤醒系统的情况下触发LDMA，令其将ADC FIFO中的数据传输到RAM中。EFM32JG/PG的ADC具有4个FIFO可以存放ADC的结果。因此，实现上述同样的功能，EFM32JG/PG的工作流程可以如下：使用内部32.768KHz低频振荡器作为时钟源，定时2.5ms，时间到后通过PRS触发ADC采样，ADC采样结果存放在FIFO中，ADC采样时MCU不会唤醒，依然在EM2模式。当4个ADC FIFO都存满后，通过LDMA将数据传输到RAM的Buffer中，LDMA每隔10ms传输一次。LDMA传输数据时，高频振荡器会自动开启，传输数据结束后会自动关闭。传输数据时，MCU依然不会唤醒执行代码，但开启了高频振荡器，电流会高于EM2模式。每采样8次后，即LDMA传输两次后，MCU唤醒一次对数据进行处理。

　　这样的工作流程，EFM32JG/PG基本上全部是在休眠模式下将ADC采样的数据保存下来，并且由于EFM32JG/PG在EM2模式下的唤醒时间极短(仅2us)，运行功耗非常低，这都大大降低了系统的功耗。图3为使用EFM32PG STK SLSTK3401A实际测试的功耗图，由图中可知，实现上述的功能,MCU平均电流仅为15.45uA。

　　图3：EFM32PG实际测试功耗图

　　增加了PSM功能的Si4438C版本，高性能低功耗特性更上一层楼

　　Silicon Labs针对中国无线市场推出了Si4438的C版本，与B版本相比，C版本突出优化了针对接收功能的功耗。Si4438的工作频段是425MHz到525MHz，发射功率高达20dBm，接收灵敏度在500bps的情况下为-124dBm，因此链路预算最高为144dBm。

　　Si4438的C版本增加了前缀检测模式(PSM)，能够降低preamble和SYC的检测功耗。图4为Si4438的C版本和B版本的功耗对比表格，由图中的数据对比可得出，Si4438 C版本无论在高性能还是低功耗的特性中，都得到了有效的改善。

　　图4：Si4438 C版本和B版本功耗对比

　　为了降低功耗和随时接收到发送端的数据，接收端无线收发器的一般工作模式是休眠模式和RX模式周期性转换，发送端需要先发送一个唤醒包将接收端唤醒，进行数据传输。Si4438的这种工作模式叫做LDC模式，当开启PSM功能时，Sleep设置1000ms，RX设置5ms的工作条件，实测Si4438的平均功耗在12uA。图5是Si4438的实际测试功耗图。

　　图5：Si4438 LDC with PSM功耗图

　　通过上面的分析，我们可以看到，EFM32JG/PG+Si4438C方案提供了业界领先的超低功耗性能,使得整个系统信号链范围功耗达到历史新低。此外，32位MCU EFM32JG/PG的 Cortex-M内核，处理能力和执行效率都比8位和16位的更高效。此高度集成的解决方案对于紧凑型布局极其有利，可减少设计的复杂性。

　　相关元件供应

　　型号：SI4438-C2A-GMR                  品牌：SILICON LABS

　　型号：SI4438-B1C-FMR                   品牌：SILICON LABS

　　型号：SI4438-B1C-FM                     品牌：SILICON LABS

　　型号：SI4438-C2A-GM                    品牌：SILICON LABS

　　型号：SI4438-B1C-FDI                     品牌：SILICON LABS

　　故障指示器是指一种安装在电力线(架空线，电缆及母排)上指示故障电流的装置。大多数故障指示器仅可以通过检测短路电流的特征来判别、指示短路故障。

　　故障指示器是一种能反映有短路电流通过而现出故障标志牌(红牌)的电磁感应设备。将这故障指示器在配电线路沿线装设，一旦线路发生故障，短路电流流过，故障指示器便动作，故障标志红牌便出现。然后沿线巡视，电源侧至故障点之前的故障指示器都出现红牌，故障点以后的故障指示器都不出现红牌，即可判断，故障点便在最后一个红牌点与其后第一个非红牌点之间。

　　故障指示器通常包括电流和电压检测、故障判别、故障指示器驱动、故障状态指示及信号输出和自动延时复位控制等部分。

　　故障指示器一般安装在架空线、架空电缆或地埋电缆、开关柜母排上，因此它通过检测空间电场电位梯度来检测电压，通过电磁感应检测线路电流。

　　1、故障指示器按应用对象可分为架空型、电缆型和面板型三种类型。

　　架空型故障指示器传感器和显示(指示)部分集成于一个单元内，通过机械方式固定于架空线路(包括裸导线和绝缘导线)，架空型故障指示器一般由三个相序故障指示器组成，且可带电装卸，装卸过程中不误报警。

　　电缆型故障指示器传感器和显示(指示)部分集成于一个单元内，通过机械方式固定于电缆线路(母排)上，通常安装在电缆分支箱、环网柜、开关柜等配电设备上，由三个相序故障指示器和一个零序故障指示器组成。

　　面板型故障指示器由传感器和显示单元组成，通常显示单元镶嵌于环网柜、开关柜的操作面板上的指示器j传感器和硅示单元采用光纤或无线等方式通信，一、二次侧之间可靠绝缘。

　　2、根据是否具备通信功能故障指标器分为就地型故障指示器和带通信故障指示器。

　　就地型故障指示器检测到线路故障并就地翻牌或闪光告警，不具备通信功能，故障查找仍需人工介入。

　　带通信故障指示器由故障指示器和通信装置(又称集中器)组成，故障指示器检测到线路故障不仅可就地翻牌或闪光告警，还可通过短距离无线方式将故障信息传至通信装置，通信装置再通过无线公网或光纤方式将故障信息送至主站。带通信故障指示器还可选配遥测、遥信功能，并将遥测信息以及开关开合、储能等状态量报至主站。

　　3、根据故障指示器实现的功能可分为短路故障指示器、单相接地故障指示器和接地及短路故障指示器。

　　短路故障指示器(又称二合一故障指示器)是用于指示短路故障电流流通的装置。其原理是利用线路出现故障时电流正突变及线路停电来检测故障。根据短路时的特征，通过电磁感应方法测量线路中的电流突变及持续时间判断故障。因而它是一种适应负荷电流变化，只与故障时短路电流分量有关的故障检测装置。它的判据比较全面，可以大大减少误动作的可能性。

　　单相接地故障指示器可用于指示单相接地故障，其原理是通过接地检测原理，判断线路是否发生了接地故障。

　　接地短路故障指示器在设计上，综合考虑了接地和短路时输电线路的特点。