解决新型驱动蜂窝式 M2M 调制解调器挑战的新方法

日期:2014-04-13
 

作者:Anthony Pele高级现场应用工程师,麦瑞
 
受惠于越来越普遍使用的易用蜂窝式调制解调器模块的支持,在机器对机器 (M2M) 上进行数据交换的工业应用正日益普及。
Sierra Wireless 和Cinterion等供应商提供的调制解调器模块可处理在 2G、3G 或 4G 蜂窝式电话网络上运行的嵌入式设备所要求的所有 RF 及协议功能。然而,这仍要求系统设计师完成可确保调制解调器在整个运行温度范围内,以及在任意负载下按照其规格运行的电源电路。
本文描述了电源电路设计师们当前所面临的挑战,并说明了混合集成电路元件类型之所以非常适合 M2M 调制解调器应用内产生的要求组合的原因。
 
调制解调器电源电路的基本要求
优秀的电源电路设计可在消耗少量电力的情况下依规定的 RF 运行,并能支持峰值发射功率规范。
·         RF 运行——电源噪讯(输出电压纹波)会严重损害调制解调器的灵敏度,缩小其范围并降低其数据速率,并威胁调制解调器对排放法规的遵从及其对 3GPP (蜂窝式网络)和其他标准的符合性。
·         发射功率——在 M2M 设计中,天线与应用常常出现不符。若空间有限,则天线可能过小或定位较差。在理想条件下,调制解调器模块制造商们趋向于使用高效的窄带天线规定设备的功率要求;而在实际应用中,人们普遍使用一根低效的宽带天线在多个频率发射和接收信号(双频、三频及四频调制解调器)。这表示,最大发射功率将普遍高于模块数据手册内说明的数值。
·         功率损耗——工业和汽车应用常须在高环境温度下(通常为 85°C)消耗功率损耗。当电源供应的电压调整是由低压差稳压器 (LDO) 提供时——情况常常如此——设备内的高损耗常需采用大型散热器和允许冷却空气流动的空间。结果:最终产品大于应有尺寸,消耗并浪费的功率也更多。
电源电路对模块性能有重大影响。尽管如此,模块制造商们却经常随意编纂电路设计师应遵循的设计准则和良好实践。大多数 M2M 模块数据手册仅提供少量有关设计功率轨的正确方法的信息,和仅适用于理想天线设置情况下(现实世界中几乎不存在)的性能额定值。
 
在发射模式下供应峰值功率
峰值发射功率是所有蜂窝式电话标准的关键指标之一。各种各样的蜂窝式电话标准详细描述了峰值发射功率的不同值,但最高值仍属 GSM(一种 2G 技术)这一年代最久远的协议,该协议规定天线的功率为 +33dBm(见图 1)。由于模块始终向后兼容所有仍在运行中的旧式网络标准,因此,每种模块仍需与GSM兼容。这种情况决定了市场上所有蜂窝式模块的峰值发射功率能力。
 

 
1每种蜂窝式电话协议均有其特定的天线输出功率规格
 
这种输出功率要求因此可以表示为:
 
公式1:              
 
电力要求因此可以表示为:
 
公式2:        
 
然而在实际情况下,模块的集成功率放大器 (PA) 约有 2W 电源供应无法实现规定的 +33dBm 峰值输出。这是因为 OEM 通常采用不包含集成天线或天线连接器的模块——OEM 需要灵活设计其专属的天线系统。
从一个天线安装启用到另一个天线安装启用,功率效率存在着显著差异。此外,天线模块连接需要在运行频率下匹配阻抗。匹配网络从来都不是完美的,还会单独引起一些功率损耗(见图 2)。因此,PA 输出通常需要一些净空,以确保实现 +33dBm 的天线功率。防护频段的有用经验法则是 -1.5dB,可将 PA 的要求输出功率提高至 +34.5dBm。使用公式 1 需要 2.8W 的电源供应。
 

 
2模块的电源供应必须考虑系统损耗和模块功率放大器的要求输入功率
 
当然,电源供应也须考虑 PA 内部损耗——集成 PA 通常可提供介于 45% 到 60% 之间的效率。由于 PA 的输入电压亦会产生变化,通常介于 3.2V 至 4.2V(4.2V 为锂离子电池的峰值输出电压),因此模块必须能够处理大范围的输入电流。
模块制造商们通常会将其产品的峰值电流要求规定为 2A 或更低(见图 3)。但如上所述,这种要求是基于假设使用高效窄频天线的理想情况。在实际情况下,这种要求对于大多数现实世界设计是不足够的:安全准则旨在详细说明 2.5A 功率轨上的峰值电流。这考虑到了因 PCB、匹配电路和天线而导致的功率损耗。图 3 说明,实际上可以提出充分理由,在电流水平高于 2.5A 的情况下设置峰值电流能力。
 

 
3功率轨上的峰值电流能力通常远高于模块制造商数据手册内通常说明的 2A
 
而事实上,PA 通常采用内部电流限制来避免损坏电路,并确保发射功率不会超过蜂窝式电话标准所施加的限制。在大多数 PA 中,这种峰值电流一般限制为 2.5A。
最后,功率轨的设计亦须考虑除 PA 之外的功能块的要求:其中包括 RF 收发器和基频处理器。这通常会增加 500mA 的间接消耗。
因此,模块的电源轨必须能够在没有任何输出电压衰减的情况下产生 3A 峰值电流。
与峰值功率能力一样,电源电路设计师也必须在提供适当散热能力的同时支持平均电流水平。假设最大平均电流要求为1A 是一个不错的准则。
 
时间和瞬态响应
提供适当的稳定电流输出后,设计师接下来必须着手解决功率输出的时间。2G 技术采用时分多路复用技术,可产生由循环出现组成的功率分布,在该分布中,功率必须在瞬间斜升和斜降。在多时隙时间掩码中,调制解调器可能需要两个功率阶段,每个阶段必须在约 18µs 内完成(见图 4)。
 

 
4为确保调制解调器能够保留在蜂窝式网络标准规定的功率输出频带内电源电路必须以极快的速度响应
若要电源供应不降低 RF 性能,则输出电压瞬态响应必须非常快速并稳定。电源系统设计师通常尝试使用本质上缓慢的瞬态响应解决电路,采用大输出电容器在瞬间为调制解调器提供能量。但是这种方法有几个严重的弊端:
·         大容量电容器价格昂贵,在电路板上占据空间较大
·         大容量电容器难以在高频条件下以足够快的速度运行
·         大容量电容器通常具有高 ESR 值,这会为开放回路响应增加一个低频电极。该附加电极会损坏开放回路增益容限,导致系统对负载瞬态的反应速度更加缓慢。
较好的方法是采用能够提供本质上快速的瞬态响应,但无需使用大输出电容器的电源供应设计。采用以下设备,电源供应设计师已经实现了这一方法:
·         支持良好相位容限的高速 LDO,提供高稳定性和更少的下冲/过冲。
·         支持高开关频率的 DC-DC 步降(降压)转换器。
高频开关电源的使用必然会让设计师感到紧张:在无线应用中,电源供应所产生的 EMI 和噪讯都很容易损害 RF 讯号,造成 RF 的范围缩小,数据速率降低,误差率增加并危及对网络标准及 EMC 要求的遵从性。
虽然可以采取反制措施解决噪讯问题(如使用屏蔽电感器、仔细布局电路板以限制噪讯痕迹的长度等),但使用普通的开关 DC-DC 转换器是一种非常冒险的方法,会将设计师拖入冗长痛苦的电路板设计微调和多次修正的过程中。
对很多设计师而言,这些弊端的比重已经超过了 DC-DC 转换器所提供的高效和快速瞬态响应的优势。这同样适用于采用 LDO 的设计:输出电压纹波产生的噪讯非常低,几乎可以忽略不计,但 LDO 具有的低效率和高功率损耗特点又与这一点实现了平衡。
因此,在 M2M 调制解调器电源供应中结合这两种设备的属性似乎是个不错的选择——这就是麦瑞HELDO®(高效 LDO)这一全新混合集成电路类型设备的承诺。这是一款单一的单片集成电路设备,其中包含一个馈送 LDO 的开关 DC-DC 转换器(见图 5)。3A HELDO 设备 MIC38300HYHL 非常适用于以上讨论的 M2M 模块应用。
 
 

 
5麦瑞 MIC38300 HELDO® 是一款混合集成电路 DC-DC 转换器/LDO 设备。
 
DC-DC 转换器控制着要求输出和 1.2V 最小 LDO 解扣值的输入电压。然后,LDO 会将来自 DC-DC 转换器的输入逐步降低到系统要求的电压。
因其输入与输出非常接近,LDO 的低噪讯输出在清除来自 DC-DC 转换器的输入(见图 6)的同时,消耗的电力也最少。芯片内的巧妙控制电路可确保将 DC-DC 转换器的输出保留在高于 LDO 输出的适当水平,同时仍未负载瞬态提供快速响应。MIC38300HYHL采用可提供 24°C/W 热阻的 4mm x 6mm MLF™ 封装,可在高达 105°C 的环境温度下维持 1A 平均电流。
 
 

 
6 MIC38300 内的集成 LDO 可提供超低噪讯输出适用于灵敏的 RF 应用。
 
因此,这款混合集成电路设备足以完美解决设计 M2M 调制解调器模块电源电路所涉及的各种问题:开关噪讯结合两者的优点,效率高,噪讯低,因而不会损害 RF 性能,而高效率和充足的散热能力则使之能够在苛刻及高温的工业应用条件下稳定运行。
www.micrel.com

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