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掌上型設備用無線數據機的電源設計
 

【作者: 編譯/Kim】   2000年04月01日 星期六

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由於目前高頻功率放大器(Power Amplifier; PA)在效率上並不良好,因此為掌上型運算設備加上無線通訊的能力時必須採用不同的電源管理技術,一些通訊協定允許採用爆發式傳輸(burst-transmission)的技術,並在無傳輸動作時予以關閉,但在傳輸期間功率放大器的效率基本上大約只在40%到60%之間 ,比起掌上型設備主電源供應部份90%到95%的效率有著相當大的差距。


許多掌上型設備採用一到四顆的鹼性電池運作,但另外一些因背光顯示而需要較高瞬間功率的應用則會採用鎳氫或甚至是鋰離子電池以達到更長的電池使用壽命,但不管所使用的電池型式以及組態為何,無線通訊所需的數據機、功率放大器以及高頻線路等功能使得系統想要維持合理的工作時間長度時都需要額外的電池容量。


這類系統中一個典型的應用範例為用來傳送蜂巢式數位封包資料(Cellular Digital Packet Data;CDPD)的PCMCIA無線數據機,它可以插入個人數位助理(PDA)或者是採用Windows CE的掌上型電腦中,並且由3.3V的電源上耗用數百mA的電流,這類PCMCIA卡片通常會內含一顆附加的電池以避免對主機電池抽取過大的電流,為了供應資料傳送過程中較大瞬間電流的需求,這顆輔助電池通常會採用目前較受歡迎的可充電電池中等效串列電阻(Equivalent Series Resistance;ESR)較低者,而達成無線通訊連結的整體功率需求則主要決定於功率放大器傳送功率的大小以及本身的效率。


舉個例來說,包含備份電池在內的整個無線通訊連結電源供應必須與以3.3V運作的掌上型系統介接,如(圖一)所示,請注意在掌上型系統中,小型化包裝是相當重要的,在圖中IC1為16-pin QSOP包裝,IC2則採用8-pin的umax包裝,其中附加電池為一顆單單元(single cell)的鋰離子電池,在完全充電時電壓範圍位於4.1V到4.2V之間,並在低於2.9V時可以視為幾乎沒有電力,圖中IC1用來將這個電壓轉換為3.3V,而IC2則用來把得到的輔助電壓維持在與主電壓誤差12mV,即0.36%的範圍之內。



《圖一 這個線路可以為掌上型設備加入無線數據機及功率放大器,同時提供適當的電源管理功能》
《圖一 這個線路可以為掌上型設備加入無線數據機及功率放大器,同時提供適當的電源管理功能》

維持無線通訊硬體與主機之間電壓的一致是個相當重要的工作,它可以確保兩者之間雙向資料與控制信號會位在有效的邏輯位準內,並可避免兩者之間無效的電源電流流動。


這個電路的基本運作原理如下,首先我們考慮在數據機尚未插入主機PCMCIA插槽之前的狀態,請注意在這時應該只有非常少量或者是沒有電池消耗,因此數據機的電源供應應該被關閉,這個輔助電源的控制由IC2的PG\負責,由於這時IC2的電源,也就是由主機端所供應的VHH並沒有接上,因此IC2為無工作狀態。


由於IC2的電源穩定(Power Good;PG\)信號輸出內部型式為開集極n-channel MOSFET,在沒有電源供應時為高阻抗狀態,因此只會消耗少許的漏電流,當PG\輸出為高阻抗狀態(Hi-Z)時,線路中的兩個電阻分壓線路,包括透過IC1中比較器來監測輔助電池電壓的R6/R7,在供電運作期間用來設定VBOOST位準的R3/R4,會因為成為ONB\線的提昇電阻而將IC1的動作關閉,IC1的切換式昇壓穩壓功能與低壓降(Low-DropOut;LDO)功能在此時也就無法工作,因此大約只有1uA的漏電流通過分壓線路以及1uA的電流流進IC1,因此在關機時電池的電流消耗大約只有2uA。


接著我們考慮加上電源供應後的功率需求,如果功率放大器必須產生0.6W的輸出功率,而本身的效率為50%,那麼它就需要1.2W的輸入功率,假設採用50% duty cycle的運作方式,也就是說傳送與接收的時間相等,那麼輸入功率放大器的rms功率為0.6W,在3.3V電源供應時這部份負載大約消耗180mA,如果數據機的其他部份需要40mA的話,那麼整體無線通訊連結電源供應的需求大約為3.3V 220mA。


IC1的昇壓穩壓器可以由2.7V電源提供800mA或由任何已放電的鋰離子電池(2.9V到3.0V)提供1A的電流,但儘管如此,功率放大器及其他的數據機硬體還是會透過比較沒有效率的內部低壓降穩壓器來供電,額定值大約為300mA,並保証最低電流為220mA,主要原因為雜訊抑制,這個低壓降穩壓器在300kHz時提供大約38dB的PSRR,使得它擁有可以抑制VBOOST上PWM切換動作所產生雜訊的好處,為了簡化或消除之後功率放大器電源電壓以及高頻發射的雜訊抑制需求,這個低壓降穩壓器內建的濾波動作使得它比較容易通過FCC標準發設雜訊的規定,而所得到的效率則大約為8.3%。


VBOOST會在VHH為3.3V左右時加以跟隨,輔助電池在完全充電時電壓高於VBOOST,但在放電末期電壓則低於VBOOST,因此低壓降穩壓器與昇壓轉換器就必須密切配合來提供所需要的升降壓功能,雖然SEPIC、返馳式以及前向式組態也可以達到這樣的升降壓功能,但這些作法都需要體積較大而且價格較高的磁性儲存元件,如變壓器等,但這些在雜訊抑制能力不佳,因此由這個角度來看,(圖一)中的電路與其他的作法比較起來最為優越。


接著我們討論當數據機卡插入主機PCMCIA連接時所發生的狀況,這個動作會使得兩邊的電源電路,包括接地端以及所有雙向資料及控制信號線產生電氣上的連結,主機可以使用EN信號線啟動或關閉數據機的硬體,如果這個信號線在數據卡插入時為低電位,那麼所有的數據機硬體功能都會被暫時關閉,而對低壓降穩壓器產生一個高阻抗狀態。


IC2在主機電源VHH(額定值約為3.3V)透過連接器對C1充電後取得電源,而IC2最低工作電壓的要求則恰巧就算是在VHH為最低限度時(低於額定值10%)還能提供適當的開機延遲時間,內建的15us延遲時間能夠讓VHH在電源穩定信號PG\輸出成為低電位前達到穩定的狀態,以用來通知主機數據機線路已經可以透過EN信號加以啟動,PG\上的低電位同時也會將前面所提到的兩個分壓線路接地以用來作電池及昇壓穩壓器的電壓感測之用。


在VHH電壓連接後,IC2在PG\變為低電位時將ONB\的電壓拉低,而IC1也開始透過L1送出能量,透過R3/R4電路回饋將電壓拉到3.7V左右,起初低壓降穩壓器並不動作,一直到VBOOST達到穩壓狀況時才會動作,而在低壓降穩壓器輸出高於2.3V(基本上應該已經達到3.3V,因為VHH已經透過R2對C2充電)時IC1會進入電壓追隨模式,追隨模式(Tracking mode)為IC1的一個特別功能,它會將VBOOST維持在高於低壓降穩壓器電壓300mV左右的位準,主要由OUT與TRACK之間的連結所設定,這個300mV的餘裕空間使得低壓降穩壓器就算是在輸出在最高額定電流的情況下還能夠維持穩壓的狀態,同時提供所需的雜訊抑制功能,由於追隨模式可以將提昇的電壓值控制在最低但可用的電壓範圍,因此可以將浪費的電池功率消耗降到最低。


當IC1的FBLDO腳確認內部參考電壓(約為1.23V)後即成為穩壓運作狀態,這個FBLDO電壓由流經R5的電流產生,這個電流與流經R2的電流成正比,也就是說,IC2有以下的轉換函數:VOUT=gm(VSENSE)R5,其中VOUT為R5兩端的電壓值,VSENSE為RS+與RS-兩端點,也就是R2上的電壓,gm則等於10-2 mho,在穩壓狀態時,VOUT=VFBLDO=1.23V,因此,


  • VSENSE=VFBLDO/(gm*R5)


  • 將VSENSE以VLDO=VHH+VSENSE的等式取代,


  • VLDO=VHH+VFBLDO/(gm*R5)


  • 將(圖一)電路中的數值代入,


  • VLDO=VHH+1.23/(10-2*104)=VHH+12.3mV



將R5的值取10kohm使得監測器電壓成為12.3mV,以這個數值為基礎,我們可以利用選擇R2值的大小來控制由LDO流向VHH的電流大小,例如在R2=1k[ohm],流經R2的電流大約為12uA。


選用IC2(高電壓端電流感測放大器)的目的是為要使用阻值低、高瓦數的的精密電流感測電阻來精確測量高電壓端的電流,在這個應用上比較特別是可以採用精確度10%低瓦數的電流感測電阻,如1/16W表面黏著包裝式電阻,因為我們並不需特別注意到底有多少電流由LDO流向VHH,原因是它的數值非常地小。


這個高阻值(1k[ohm])電流感測器的另一好處是,就算是VLDO端短路或有不尋常的重負載產生時,只能透過R2由主機端抽取大約3.3mA的電流,並不足以造成系統的損害,但R2事實上也並不需要大到1k[ohm],IC2的耗電大約為800uA,因此以公式計算的結果,R2=12mV/800uA=15[ohm]就可以以低壓降穩壓器對IC2供電,而不需使用主機電源。


以另一種組態來看,IC2的V+端可以直接連接到低壓降穩壓器而非主機的電源輸出端,這時IC2只有在上電的過程中才不使用低壓降穩壓器的電源,而是透過R2由VHH供電,這樣的安排需要功率放大器與數據機硬體線路能夠關閉,以便在低壓降穩壓器形成高阻抗負載的狀況,使得只有極少量的電流流經R2,並使R2小到造成的壓降還能讓V+高於可以正常運作的最低電壓(3V),如果VHH高於或等於3.6V,那麼R2就必須小於375[ohm],這樣的阻值可以確保IC2的0.8mA工作耗電流不會在VHH為最低額定電壓(3.6V-10%)時造成高於0.3V的壓降。


與R2並列的蕭特基二極體D2、D3可以保護IC2不會被RS+與RS-間的過電壓破壞,雖然它們會造成一些漏電流,但並不會影響整個電路的動作,與R5並列的電容器可以透過將低壓降穩壓器回饋端對地的高頻雜訊消除以提供平滑且穩定的VLDO電壓,就如前面所提到的,IC1內含一個沒有特別限定輸入與輸出端的比較器,在這個電路中它被用來監測輔助電池的電壓,並且在電量小到接近不足以維持供應無線通訊連結所需最低電壓時用來警告主機端。


另外我們必須注意的是在(圖一)中的線路不只能夠處理我們以上所討論的情況,例如它與其他適合將無線數據機與掌上型設備搭配時所用的通訊匯流排相容,這些匯流排包括Card-Bus以及目前逐漸興起流行的USB(Universal Serial Bus),它同時可以接受高達5V的主機端供應電壓,為了達到更高的效率,在某些應用上可以將功率放大器直接連結到VBOOST而非不需要連到VLDO,在這個情況下VBOOST就不需要追隨VLDO,因此這些電壓就可以透過獨立的回饋電阻線路分別地加以控制。


IC1的工作電壓大約1.1V,並可以低達0.7V運作,因此就算是使用兩個單元(two cells)的鎳氫電池做為輔助電池也足以供應較低高頻功率輸出的應用,最後有一點必須注意的是,IC1通常在高負載時以低雜訊PWM穩壓器的角色運作,切換頻率則大約為300kHz,在必要時我們可以透過將它的頻率與外部200kHz到400kHz範圍之間的信號同步來控制它的諧振能量成份(使用CLK與SEL接腳),對於負載較輕的情況來說,由於發射與導通功率相對較低,因此我們可以透過相同的CLK/SEL接腳將IC1以脈衝頻率調變(Pulse Frequency Modulation;PFM)的模式運作,將能夠提供最高的效率及最長的電池使用壽命。


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