深入解析 EZR32WG 无线 MCU 与 BRD4503B 射频板

在当今的电子设计领域，低功耗、高性能的无线解决方案需求日益增长。Silicon Labs 的 EZR32WG 系列无线 MCU 及其配套的 BRD4503B 射频板，为工程师们提供了一个强大而灵活的选择。本文将深入探讨 EZR32WG 系列的特点、BRD4503B 射频板的各个模块以及其射频性能，希望能为电子工程师们在设计相关项目时提供有价值的参考。

文件下载：SLWRB4503B.pdf

EZR32WG 系列无线 MCU 概述

高性能与低功耗的完美结合

EZR32WG 系列无线 MCU 将高性能的 sub - GHz RF 收发器与节能的 32 位 MCU 集成在一个小尺寸的封装中。它提供了从 64/128/256 kB 闪存的引脚兼容设备系列，支持 Silicon Labs 的 EZRadio 或 EZRadioPRO 收发器，为设计师带来了极大的灵活性。

适合电池供电应用

Silicon Labs 节能的 32 位 MCU 具有超低功耗的工作模式和快速唤醒时间，结合 sub - GHz 无线电的低发射和接收功耗，使其成为电池供电应用的理想选择。

BRD4503B 射频板特点

硬件规格

• 无线 MCU：采用 EZR32WG330F256R63G，CPU 核心为 ARM Cortex - M4，拥有 256 kB 的闪存和 32 kB 的 RAM。
• 天线连接：配备单天线连接器，用于发射和接收。
• 晶体振荡器：LFXO 采用 32.768kHz 晶体，HFXO 采用 48 MHz 晶体，RF 采用 30 MHz 晶体。
• 备份电源：设有 30 mF 超级电容器，连接到 EZR32WG 的 PD8 端口。
• USB 接口：集成全速 USB 2.0（12 Mbps），通过 micro USB 连接器（P/N: ZX62 - B - 5PA(11)）连接。

各模块详细解析

USB 模块

该模块的 3.3V USB 调节器输出通过射频板连接器返回到无线启动套件主板，使射频板能够为主板供电。更多关于 EZR32WG USB 的信息，可参考 EZR32WG330 数据手册。

晶体振荡器模块

• RF 晶体振荡器：使用 30 MHz 晶体（P/N: NX2016SA 30 MHz EXS00A - CS06568），关于 EZR32 设备 RF 部分的晶体或 TCXO 选择，可参考 "AN785: Crystal Selection Guide for the Si4x6x RF ICs"。
• LF 晶体振荡器（LFXO）：采用 32.768kHz 晶体（P/N: MS3V - T1R, 32768Hz, 12.5pF, +/- 20ppm），为确保安全启动，在 LFXTAL_N 和 LFXTAL_H 引脚连接了两个 22 pF 电容器。晶体配置的详细信息可参考应用笔记 "AN0016: EFM32 Oscillator Design Consideration"。
• HF 晶体振荡器（HFXO）：使用 48 MHz 晶体（P/N: ABM11 - 48.000MHZ - D2X - T3），同样为安全启动，在 HFXTAL_N 和 HFXTAL_H 引脚连接了两个 10 pF 电容器，晶体配置详情可参考 "AN0016: EFM32 Oscillator Design Consideration"。

备份电源域电容器模块

该模块使用 30 mF 超级电容器（P/N: PAS311HR - VA6R）连接到 EZR32WG 的 PD8 端口，关于备份电源域的详细信息，可参考 EZR32WG330 数据手册。

RF 匹配网络模块

采用 Class E 型匹配网络，通过额外的 RF 开关将 TX 和 RX 端连接在一起，实现单天线收发功能。组件值针对 915 MHz 频段的 RF 性能和 20 dBm 输出功率下的电流消耗进行了优化。具体匹配网络的详细信息可参考第 4.1 节“匹配网络”。

SMA 连接器模块

为了进行传导测量或安装外部天线进行辐射测量、范围测试等，板上添加了 SMA 连接器（P/N: 5 - 1814832 - 1），允许在设计验证或测试期间连接外部 50 欧姆电缆或天线。

射频板连接器模块

由两个双排、0.05”间距的极化连接器（P/N: SFC - 120 - T2 - L - D - A - K - TR）组成，用于连接无线启动套件主板。关于 EZR32WG330F256R63G 与射频板连接器之间的引脚映射信息，可参考第 1 章“射频板连接器引脚关联”。

MCU 与射频收发器的通信

MCU 与射频收发器之间通过 USART、PRS 和 IRQ 进行通信，引脚配置如下：	pin	Radio Assignment	pin function assignment
PE8	SDN	GPIO Output
PE9	nSEL	Bit - Banged SPI.CS (GPIO Output)
PE10	SDI	US0_TX #0
PE11	SDO	US0_RX #0
PE12	SCLK	US0_CLK #0
PE13	nIRQ	GPIO_EM4WU5 (GPIO Input with IRQ enabled)
PE14	GPIO1	PRS Input
PA15	GPIO0	PRS Input

RF 部分设计

Class E 型 TX 匹配网络

BRD4503B 射频板采用 Class E 型 TX 匹配网络，目标输出功率为 915 MHz 下的 20 dBm。这种匹配类型的主要优点是效率非常高，适用于对电流消耗要求严格的应用。然而，它也存在一些缺点，如对 Vdd 依赖性高、功率变化与 Vdd 变化的平方成正比、功率步骤非线性不准确，并且电流消耗和 TX 引脚的峰值电压对终端阻抗变化敏感，通常需要更高阶的滤波，从而增加了材料成本。

匹配网络结构

匹配网络采用所谓的 Switched RF 配置，通过额外的 RF 开关将 TX 和 RX 端连接在一起，实现单天线收发。在设计过程中，需要确保在 TX 模式下 RX 输入电路不会降低 TX 输出路径的性能，在 RX 模式下 TX 输出电路不会降低接收性能。关于 Class E 型 TX 匹配和 Switched RF 配置匹配过程的详细解释，可参考 "AN648: Si4063/Si4463/64/68 TX Matching"；关于 RX 匹配的详细描述，可参考 "AN643: Si446x/ Si4362 RX LNA Matching"。

组件值优化

为了实现 915 MHz 频段的 RF 性能和 20 dBm 输出功率下的最佳电流消耗，对匹配网络的组件值进行了优化。具体组件值和对应的零件编号如下：	Component name	Part Number
C0	GRM1555C1H5R1B
CM	GRM1555C1H4R7C
CM2	GRM1555C1H27C
CM3	GRM1555C1H4R3C
CM4	GRM1555C1H4R3C
CR1	GRM1555C1H3R0C
CR2	GRM1555C1H1R0B
CC1	GRM1555C1H560J
CC2	GRM1555C1H560J
CC3	GRM1555C1H560J
L0	0402HP - 11NXJL
LC	0402HPH - R12XJL
LM	0402HP - 10NXJL
LM2	0402HP - 10NXJL
LM3	0402HP - 8N2XJL
LR1	0402HP - 18NXJL
LR2	0402HP - 22NXJL

由于不同的寄生效应（键合线、布局等），在 WSTK 射频板上可能需要对组件值进行微调。为了实现优化的 RF 性能，上述表格中的组件值可能与参考应用笔记中的值有所不同。对于特定的应用和电路板布局，可能需要调整最终的匹配值，建议将上述组件值作为起点，进行微调以实现最佳的滤波器响应和 50 欧姆的阻抗匹配。为了最小化不同布局寄生效应的影响，Silicon Labs 建议直接复制射频板 RF 部分的布局；如果无法实现，可参考 "AN629: Si4460/61/63/64 RF ICs Layout Design Guide" 进行布局设计。

RF 性能测试

测量设置

将 EZR32 奇迹壁虎射频板（BRD4503B (Rev. A00)）连接到无线启动套件主板（BRD4001 (Rev. A02)），并将其收发器设置为连续载波传输模式，射频输出功率设置为 20 dBm (DDAC = 7Fh)。

传导功率测量

通过板上的 SMA 连接器将 EZR32WG 射频板直接连接到频谱分析仪（P/N: MS2692A）进行传导功率测量。在 20 dBm 输出功率和 3.3 V 电源电压下，测得板上 RF 部分的典型电流消耗为 90 mA。同时，给出了高达 10 GHz 的典型输出频谱。需要注意的是，市售的鞭状天线在基频处通常有 ~0 - 2 dB 的增益，在谐波频率处增益小于 0 dB。如果传导水平在发射限值内有较小的余量，那么外部鞭状天线辐射的谐波余量可能会更高。但在大多数情况下，PCB 辐射（来自走线或组件）更强，因此可能需要使用屏蔽、进行更大的占空比校正（如果允许）或降低基频功率。

辐射功率测量

使用外部鞭状天线（P/N: W1063 (Pulse)）进行辐射功率测量，板的电源由两节 AA 电池（3 V）提供，电池通过无线启动套件主板的外部电源连接器连接，尽量缩短电线长度以减少电线辐射。将被测设备（DUT）在 XY、XZ 和 YZ 平面上以水平和垂直参考天线极化方式旋转 360 度进行测量。测量结果显示，辐射谐波水平比基于传导测量预期的水平更高，这是由于 PCB 辐射（组件和 PCB 走线）造成的。同时需要注意，本文中的辐射测量结果是在未获许可的天线室中记录的，辐射功率水平可能会根据实际应用（PCB 尺寸、使用的天线等）而变化，因此建议在获得许可的 EMC 测试实验室中验证最终应用的绝对水平和余量。

文档修订历史与勘误

文档修订历史

Revision Number	Effective Date	Change Description
1.10	19.03.2015	Radio Board errata added.
1.00	23.02.2015	Major content update.
0.10	04.02.2015	Initial document version.

勘误信息

Radio Board Revision	Problem	Description
A00		USB functionality broken. In this revision USB_VREGI and USB_VREGO pins have been swapped. This means that USB does not work on this revision of the BRD4503B radio board. If you require USB functionality, please contact support for a replacement.
Missing MCU peripherals	Due to EZR32WG330F256R63G chip errata, UART peripherals are not available. UART functionality on USART peripherals remain unaffected.

综上所述，EZR32WG 系列无线 MCU 和 BRD4503B 射频板为电子工程师提供了一个高性能、低功耗的无线解决方案。但在设计和使用过程中，需要充分考虑各个模块的特点、通信配置、匹配网络设计以及 RF 性能测试等方面的因素，同时关注文档的修订历史和勘误信息，以确保项目的顺利进行。你在使用类似的无线 MCU 和射频板时，是否也遇到过一些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。