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ISM變送器具有恒定的變送器功率,可改變電源電壓

星星科技指導(dǎo)員 ? 來源:ADI ? 作者:ADI ? 2023-01-17 15:30 ? 次閱讀

在電池供電射頻發(fā)射器中,例如車庫門開啟器和汽車的遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入,隨著電池耗盡,發(fā)射功率通常會下降。本應(yīng)用筆記演示了將高效升壓或升壓轉(zhuǎn)換器與ISM發(fā)送器相結(jié)合,可在電池電壓范圍內(nèi)保持發(fā)射功率恒定(變化小于0.5dB)。性能數(shù)據(jù)將表明,恒定發(fā)射功率的電池壽命是發(fā)射器的2倍,發(fā)射器的功率隨著電池電壓的下降而下降。電壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的交流電壓紋波不會降低幅度轉(zhuǎn)換鍵控(ASK)數(shù)據(jù)鏈路的質(zhì)量,也不會違反美國和歐洲有關(guān)短程無線電鏈路的無線電發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)。

介紹

短程發(fā)射器用于未經(jīng)許可的ISM頻段的許多應(yīng)用,例如歐洲的433.05MHz至434.79MHz,美國的260MHz至470MHz以及亞洲部分地區(qū)的類似頻率范圍。這些應(yīng)用中的大多數(shù)都需要使用電池供電的小型變送器(例如,汽車鑰匙扣、車庫門和開門器、安全報警傳感器)。

當(dāng)電池電量耗盡時,其電壓會降低,這反過來又會降低大多數(shù)廉價、低電流消耗變送器的輻射功率。輻射功率的損耗是由于許多短程發(fā)送器(如Maxim MAX1472)使用開關(guān)放大器以獲得最佳效率(參見Maxim應(yīng)用筆記3589:“高效率低成本ISM頻段發(fā)送器的功率放大器理論”),開關(guān)放大器的發(fā)射功率大致隨電源電壓的平方而減小。這意味著由電池供電的發(fā)射器在其使用壽命內(nèi)電壓從3V降至1.8V,其發(fā)射功率將降低到其起始功率的35%左右。實際上,傳輸功率損耗在4dB到5dB之間。

本應(yīng)用筆記表明,將高效升壓轉(zhuǎn)換器(MAX1947)與ISM發(fā)送器(MAX1472)組合使用,可在電池電壓范圍內(nèi)保持發(fā)射功率恒定(變化小于0.5dB)。這種配置還會將電池壽命縮短不超過 15%。文章還表明,電壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的交流電壓紋波不會降低幅度移鍵控(ASK)數(shù)據(jù)鏈路的質(zhì)量,也不會違反美國和歐洲關(guān)于短程無線電鏈路的無線電發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)。

調(diào)查

這項調(diào)查的目的是:

確定向變送器添加電壓轉(zhuǎn)換器是否能在典型的電池電壓范圍內(nèi)保持恒定的變送器功率。

確定電壓轉(zhuǎn)換器對變送器系統(tǒng)整體效率的影響。

顯示恒定發(fā)射機功率和電池壽命之間的權(quán)衡。

測量電壓轉(zhuǎn)換器交流紋波對無線電鏈路質(zhì)量的影響。

變送器和電壓轉(zhuǎn)換器的評估(EV)套件用于測量變送器恒定功率和高效率的實現(xiàn)程度。使用的發(fā)送器是MAX1472,工作在300MHz至450MHz頻率范圍。其電源電壓范圍為2.1V至3.6V,通常傳輸10mW或+10dBm,同時從2.7V電源吸收約10mA直流電流。用于這些測試的特定頻率為433.92MHz,這在歐洲和美國都是允許的。使用的電壓轉(zhuǎn)換器是MAX1947,升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器,輸入(電池)電壓范圍為0.7V至3.6V。該轉(zhuǎn)換器使用外部電感器和具有內(nèi)部開關(guān)的電容器對電感器充電,然后將能量傳輸?shù)?a href="http://ttokpm.com/tags/電容/" target="_blank">電容器和負(fù)載電阻。MAX1947具有工廠選擇的1.8V、2.5V、3.0V和3.3V輸出電壓。MAX1947ETA33(3.3V輸出)用于這些測量。對于高于輸出電壓的輸入電壓,MAX1947自動通過,無效。

MAX1472EVKIT經(jīng)過修改,改變天線匹配網(wǎng)絡(luò)中的無源元件,在3.3V電源下產(chǎn)生+10dBm的發(fā)送功率。MAX1947評估板只需進(jìn)行一次簡單的修改:將1.8V輸出IC作為評估板的標(biāo)準(zhǔn)值替換為3.3V輸出IC。連接評估板,MAX1947的輸入電壓(代表電池電壓)來自實驗室電源,電流表串聯(lián)。除電壓和電流測量外,還使用示波器、功率計和頻譜分析儀收集數(shù)據(jù)。

除上述組合評估板外,另外兩款Maxim發(fā)送器評估板用作性能基準(zhǔn):MAX1472“標(biāo)準(zhǔn)”評估板,采用2.7V電源時產(chǎn)生+10dBm的發(fā)送器功率;MAX7060EVKIT為頻率和功率可調(diào)的發(fā)送器,發(fā)送器功率為SPI可編程

在第一組測試中,對四種不同的變送器配置進(jìn)行了電壓、電流和變送器功率測量。繪制了功率和電源電流與電壓的關(guān)系圖,進(jìn)行了效率計算,并計算了對電池壽命的估計影響。

在第二組測試中,MAX1947輸出電源上的紋波電壓記錄在示波器上,MAX1472發(fā)送器從MAX1947獲取電源。

在第三組測試中,記錄MAX1472發(fā)送的RF信號頻譜,用于輸入(電池)電壓的預(yù)期工作范圍。利用MAX7033EVKIT接收器建立ASK無線電鏈路,以確定電壓轉(zhuǎn)換器紋波對鏈路性能的影響。

結(jié)果摘要

發(fā)射機功率與電池電壓的關(guān)系

比較了四種功率放大器(PA)配置,以最少的電源電流消耗保持穩(wěn)定的發(fā)射器功率輸出的能力。由于電源電流隨電池放電時的電池電壓而變化,因此通過計算典型電池(或一組電池)在100%占空比電流消耗下的使用壽命來比較配置的電流消耗。

基線配置:MAX1472匹配+10dBm Tx功率,2.7V。

該配置未進(jìn)行測量,因為它是MAX1472EVKIT的標(biāo)準(zhǔn)配置,典型數(shù)據(jù)在MAX1472數(shù)據(jù)資料的典型工作特性(TOC)中給出。相關(guān)電池(電源)電壓下的性能如下表1所示。

表 1.MAX1472的發(fā)射功率和電流與電壓的關(guān)系,匹配2.7V +10dBm
V在 VPA 發(fā)射(毫瓦) 發(fā)射(分貝) 我托特(毫安) 我鎖 相 環(huán)(馬) PA 效率 (%) 總效率 (%)
2.1 2.1 5.50 7.40 7.70 1.50 42.21% 33.99%
2.4 2.4 7.94 9.00 8.70 1.60 46.62% 38.04%
2.7 2.7 10.96 10.40 9.70 1.70 50.76% 41.87%
3.0 3.0 13.49 11.30 10.60 1.80 51.10% 42.42%
3.3 3.3 16.60 12.20 11.30 1.90 53.50% 44.50%
3.6 3.6 19.95 13.00 12.60 1.97 52.14% 43.99%

表1顯示了DC-DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)消除的發(fā)射器功率隨電池電壓的變化。當(dāng)電池電壓從3.6V降至2.1V時,發(fā)送器功率下降5.6dB,這是MAX1472的最大和最小額定電壓。+10dBm的額定發(fā)射功率出現(xiàn)在電壓范圍的中間附近。因此,當(dāng)電池新鮮時傳輸過多的電力,而當(dāng)電池接近其使用壽命時,傳輸?shù)碾娏坎蛔恪?/p>

使用DC-DC轉(zhuǎn)換器的恒定變送器功率

本研究表明,升壓轉(zhuǎn)換器可以與標(biāo)準(zhǔn)Maxim發(fā)送器結(jié)合使用,以實現(xiàn)恒定的+10dBm發(fā)射功率。選擇用于組合的升壓轉(zhuǎn)換器是MAX1947,出廠設(shè)置為3.3V輸出。因此,便攜式設(shè)備最常用的兩種電池(CR2032紐扣電池,兩節(jié)AAA串聯(lián)電池)的電池電壓將低于轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。如果電池電壓超過3.3V,MAX1947只需將電壓通過即可。

MAX1472匹配+10dBm Tx功率,在3.3V電壓下

由于施加到MAX1472發(fā)送器的電源電壓為3.3V,因此必須改變MAX1472EVKIT上的匹配網(wǎng)絡(luò)以產(chǎn)生+10dBm的發(fā)射信號。表1顯示,標(biāo)準(zhǔn)匹配產(chǎn)生+12.2dBm的發(fā)射信號,該信號過高,會消耗過多電流。圖1所示為433MHz評估板中2.7V +10dBm匹配的元件值,以及采用3.3V電源時為達(dá)到約+10dBm而選擇的修改元件值。

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圖1.MAX1472的匹配網(wǎng)絡(luò),采用2.7V和3.3V電源。

表2的格式與1相同,但它顯示了3.3V +10dBm匹配的發(fā)射功率和電流消耗與電源電壓的關(guān)系。

表 2.MAX1472的發(fā)射功率和電流與電壓的關(guān)系,匹配為3.3V +10dBm
V在 VPA 發(fā)射(毫瓦) 發(fā)射(分貝) 我托特(毫安) 我鎖 相 環(huán)(馬) PA 效率 (%) 總效率 (%)
2.1 2.1 3.25 5.12 4.73 1.68 50.76% 32.73%
2.4 2.4 4.44 6.47 5.36 1.78 51.63% 34.48%
2.7 2.7 5.74 7.59 5.97 1.87 51.86% 35.62%
3.0 3.0 7.16 8.55 6.59 1.97 51.67% 36.22%
3.3 3.3 8.71 9.40 7.23 2.06 51.05% 36.50%
3.6 3.6 10.38 10.16 8.17 2.16 47.95% 35.28%

表2顯示,這種新的匹配網(wǎng)絡(luò)在3.3V時產(chǎn)生+9.4dBm,略低于+10dBm目標(biāo),但足以進(jìn)行本研究??梢赃M(jìn)一步調(diào)整匹配的網(wǎng)絡(luò)分量值,以略微提高發(fā)射功率,并更好地抑制434MHz載波的二次和三次諧波。至少需要46dB的諧波抑制才能滿足歐洲發(fā)射法規(guī);圖1所示的電路拓?fù)淇梢酝ㄟ^正確選擇元件值來實現(xiàn)這一點。

請注意,每個電源電壓下的電流消耗低于2.7V匹配時的電流消耗。另請注意,2.1V時的功率僅為+5.2dBm,而不是2.7V匹配時的+7.4dBm。當(dāng)電池電壓從3.6V降至2.1V時,發(fā)射功率仍會降低約5dB。

MAX1472與MAX1947升壓轉(zhuǎn)換器配合使用時匹配3.3V

將MAX1472和MAX1947組合用于功能測試變得容易,每個器件都使用評估板。為了識別信號名稱和連接,兩款評估板的原理圖如圖2所示。工作臺上的連接圖(圖3)說明了將這兩塊評估板組合在一起的簡單性。

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圖2.MAX1472和MAX1947評估板原理圖

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更詳細(xì)的圖像 (PDF, 888kB)
圖 3.MAX1472和MAX1947評估板的實驗室設(shè)置

MAX1947可將直流電壓從低至0.7V升壓至3.3V輸出。因此,表3所示數(shù)據(jù)從低至1.8V的輸入電源電壓開始,這是常用電池配置中可用的最低電壓。這種配置為MAX1472發(fā)送器的用戶提供了額外的好處:有效的電池電壓范圍從2.1V擴展至1.8V。

表 3.MAX1472的發(fā)射功率和電流與電壓的關(guān)系,采用MAX1947升壓轉(zhuǎn)換器
V在 VPA 發(fā)射(毫瓦) 發(fā)射(分貝) 我托特(毫安) 我鎖 相 環(huán)(馬) PA 效率 (%) 總效率 (%)
1.8 3.34 8.79 9.44 15.79 4.52 43.33% 30.93%
2.1 3.34 9.06 9.57 13.66 3.83 43.88% 31.57%
2.4 3.36 9.10 9.59 11.93 3.36 44.24% 31.78%
2.7 3.36 9.18 9.63 10.33 2.92 45.90% 32.93%
3.0 3.39 9.27 9.67 9.28 2.62 46.39% 33.29%
3.2 3.41 9.42 9.74 8.78 2.48 46.72% 33.52%
3.3 3.44 9.55 9.80 8.61 2.42 46.75% 33.61%
3.4 3.38 9.23 9.65 7.56 2.19 50.53% 35.89%
3.6 3.61 10.30 10.13 8.24 2.26 47.86% 34.74%

使用MAX7060的恒定發(fā)射功率

使用Maxim的300MHz至450MHz發(fā)送器,用戶已經(jīng)可以使用MAX7060在電源電壓范圍內(nèi)設(shè)置恒定的發(fā)射功率。MAX7060為可編程發(fā)送器,可通過SPI或單個引腳進(jìn)行控制,以改變發(fā)射頻率、發(fā)射功率和調(diào)制特性。通過設(shè)計適當(dāng)?shù)钠ヅ渚W(wǎng)絡(luò)并選擇單個功率設(shè)置,可以傳輸功率略有變化或根本不變化的信號。

那么,人們可能會問,為什么使用另一個Maxim變送器來實現(xiàn)恒定功率很重要呢?答案很簡單:因為MAX7060適用于需要高性能的應(yīng)用,如頻率捷變、頻繁功率調(diào)節(jié)和額外的發(fā)射功率(+13dBm與+10dBm)。MAX7060功能更強大,MAX1472功能更簡單,兩者之間的權(quán)衡是總電流消耗。MAX7060比MAX1472具有更多的特性和更好的性能,但功耗更高。因此,MAX7060最適合電源比小型廉價電池更堅固耐用的應(yīng)用。這就引出了另一種可能性:MAX1472可以增加一個簡單但重要的特性,如電池電壓恒定功率。

給出了MAX7060的發(fā)射功率和電流消耗與電池電壓的變化,以顯示低發(fā)射功率變化和高電流消耗之間的權(quán)衡參考點。四種放大器配置(MAX1472匹配為2.7V,MAX1472匹配為3.3V,MAX1472和MAX1947以及MAX7060)的組合結(jié)果說明了性能差異。

表 4 的格式與 1、2 和 3 相同。顯示發(fā)射功率和電流消耗與MAX7060電池電壓的函數(shù)關(guān)系。MAX7060的發(fā)射功率設(shè)置固定在比最大功率設(shè)置低2dB。當(dāng)電池電壓從 2.4V 增加到 3.6V 時,此設(shè)置可使功率幾乎恒定(<降低 1dB),當(dāng)電壓降至 2.1V 時,再損失 1dB。

表 4.2.7V匹配的MAX7060的發(fā)射功率和電流與電壓的關(guān)系
V在 VPA 發(fā)射(毫瓦) 發(fā)射(分貝) 我托特(毫安) 我鎖 相 環(huán)(馬) PA 效率 (%) 總效率 (%)
2.1 0x1C 6.46 8.10 12.06 4.38 40.03% 25.49%
2.4 0x1C 8.65 9.37 13.63 4.62 40.00% 26.44%
2.7 0x1C 9.57 9.81 14.42 4.90 37.24% 24.59%
3.0 0x1C 9.77 9.90 15.01 5.13 32.97% 21.70%
3.3 0x1C 9.77 9.90 15.50 5.42 29.38% 19.11%
3.6 0x1C 10.00 10.00 16.10 5.66 26.61% 17.25%

變送器功率和負(fù)載電流變化的比較

4圖5顯示了前四個表中的Tx功率和電流消耗信息。很明顯,MAX7060與MAX1472和MAX1947的組合在電源電壓范圍內(nèi)表現(xiàn)出最小的Tx功率變化。由于MAX1947可以工作在1.8V電壓,MAX1472和MAX1947的數(shù)據(jù)擴展到1.8V。

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圖4.四種發(fā)射機配置的發(fā)射機功率與電池電壓的關(guān)系。

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圖5.四種發(fā)射器配置的直流電流消耗與電池電壓的關(guān)系。

圖5顯示了保持低發(fā)射功率變化而增加的電流消耗成本。MAX7060具有最高的漏電流,部分原因是它是更高Tx功率器件。MAX1472匹配為3.3V,具有最低的電流與電池電壓的關(guān)系。在3.3V及以上時,它與MAX1472和MAX1947組合具有相同的漏電流,因為MAX1947轉(zhuǎn)換器以最小的電流消耗旁路電源電壓。最相關(guān)的漏電流曲線是MAX1472與2.7V匹配的曲線以及MAX1472和MAX1947組合的曲線。兩種方案在2.7V(電池范圍的中間)下產(chǎn)生目標(biāo)+10dBm Tx功率,在2.7V時消耗幾乎相同的電流。有趣的是,“基線”發(fā)送器(MAX1472與+10dBm 2.7V匹配)的負(fù)載電流隨著電池電壓的增加而增大,而恒功率發(fā)送器(MAX1472和MAX1947組合)的負(fù)載電流隨著電池電壓的增加而下降。此行為表明這兩種實現(xiàn)將具有相似的電池壽命。

電池壽命示例:三種發(fā)射機配置,帶兩節(jié) AAA 電池

勁量? E92 堿性 AAA 電池的電池規(guī)格與本說明中描述的發(fā)射器配置的電流消耗信息一起使用。目的是比較配置對電池壽命的影響。對于低于25mA的穩(wěn)定電流,這種特殊的AAA電池的容量約為1200mAh,對于超過100mA的穩(wěn)定電流,容量降至1000mAh以下。電池公司通過顯示行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)使用配置文件(如圖6所示)的測試結(jié)果來詳細(xì)說明這一單一數(shù)字規(guī)范。

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圖6.勁量 E92 AAA 電池的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電池壽命測試數(shù)據(jù)。

使用這種電池電壓與時間的關(guān)系曲線有兩個優(yōu)點。首先,這些測試中顯示的所有漏電流條件均高于Maxim ISMRF發(fā)送器通常消耗的5mA至20mA電流。盡管如此,磁帶游戲數(shù)字音頻測試每天一小時消耗100mA。低占空比抵消了一小時的高電流消耗,因此每天消耗的平均電流略高于4mA。這會產(chǎn)生電池電壓隨時間變化的曲線,其形狀應(yīng)與穩(wěn)定的10mA電流消耗產(chǎn)生的形狀相同。

使用此配置文件的另一個優(yōu)點是,水平軸上的一小時相當(dāng)于 100mAh 的容量(圖 6 和圖 7)。因此,可以重新標(biāo)記水平軸,以顯示電池容量已用電量與電池電壓的函數(shù)關(guān)系圖。例如,當(dāng)電池電壓從1.5V下降到1.4V時,大約消耗了75mAh。當(dāng)電壓降至1.0V時,大約消耗了975mAh。

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圖7.使用的電池容量與電池電壓的關(guān)系。

將上述信息與圖5和表1至表4所示的每個接收器配置的電池電流與電池電壓的關(guān)系一起使用,以創(chuàng)建表5表6,兩者都與電池電壓相關(guān)聯(lián)。

表 5.每個電壓范圍可用的電池容量,兩節(jié) AAA 系列電池
電池電壓范圍 (V) 累計電池已用容量 (mAh) 使用的增量電池容量 (mAh)
3.0 到 2.7 100 100
2.7 到 2.4 450 350
2.4 到 2.1 900 450
2.1 到 1.8 1050 150
表 6.每個電壓范圍的變送器電流消耗,三種 Tx 配置
電池電壓范圍 (V) 電流消耗 (mA)
MAX1472,2.7V +10dBm匹配 MAX1472和MAX1947 MAX7060,2.7V +10dBm匹配
3.0 到 2.7 10.15 9.81 14.72
2.7 到 2.4 9.20 11.13 14.03
2.4 到 2.1 8.20 12.80 12.85
2.1 到 1.8 14.73

表 5 假設(shè)兩節(jié) AAA 電池串聯(lián)連接,使電壓范圍加倍并保持相同的電池配置文件。表中的第二列根據(jù)圖7的分布將1050mAh的總電池容量劃分為3.0V至1.8V范圍內(nèi)每0.3V電池范圍的間隔。電池壽命計算的重要數(shù)字是最右列中的增量容量。表6的漏電流信息與表1、表3和表4相同,不同之處在于每個電壓范圍的電流是該范圍內(nèi)高電壓和低壓下的電流平均值。

現(xiàn)在,每個變送器配置在其電壓范圍內(nèi)的電池壽命可以通過將每個0.3V范圍的增量電池容量除以該電壓范圍內(nèi)的電流消耗(mAh/mA = h = 小時)并將小時相加來計算。這些計算的結(jié)果如表7表10所示。

表 7.三種變送器配置的電池壽命比較
電池電壓范圍 (V) 使用的增量電池容量 (mAh) 電流:mA MAX1472,2.7V +10dBm 匹配 計算電池壽命 (h) 電流:mA MAX1472和MAX1947 計算電池壽命 (h) 電流:mA MAX7060,2.7V +10dBm 匹配 計算電池壽命 (h)
3.0 到 2.7 100 10.15 9.85 9.81 10.20 14.72 6.80
2.7 到 2.4 350 9.20 38.04 11.13 31.45 14.03 24.96
2.4 到 2.1 450 8.20 54.88 12.80 35.17 12.85 35.03
2.1 到 1.8 150 14.73 10.19

表7很有用,因為對于每個300 mV電池電壓間隔,當(dāng)電池電壓在該間隔內(nèi)下降時,它將每種配置消耗的平均電流轉(zhuǎn)換為電池的增量壽命??梢愿鶕?jù)“有用”的定義調(diào)整此信息以比較有用的電池壽命。下面舉三個例子。前兩個示例通過每種配置保持最小發(fā)射器功率的能力來定義有用的電池范圍。最后一個示例消除了最小發(fā)射器功率限制,并比較了每種配置達(dá)到其最小工作電壓所需的小時數(shù)。

在比較電池壽命之前,重要的是要指出,這些練習(xí)中計算的使用壽命小時數(shù)僅用于比較目的。它們遠(yuǎn)低于典型操作中這些配置的使用壽命,因為它們來自圖7中的曲線,該曲線基于每天從電池吸收100mA電流一小時。對于基于這些變送器的產(chǎn)品,更現(xiàn)實的工作曲線是每天大約30秒的10mA至15mA的有效電流消耗(如遠(yuǎn)程無鑰匙進(jìn)入、車庫門開啟器和安全報警傳感器)和約5μA的待機電流消耗。這將使下面計算的使用壽命小時數(shù)增加 500 到 1000 倍,具體取決于待機電流。

+10dBm(最小值)發(fā)射器功率下的電池壽命

圖4中的發(fā)送器功率曲線顯示,表7中的基線配置,即MAX1472直接連接到電池,阻抗匹配以在2.7V時產(chǎn)生+10dBm,當(dāng)電池電壓降至2.7V以下時,無法滿足+10dBm發(fā)送器功率的最低要求。圖4還顯示,MAX7060配置保持+10dBm發(fā)送器功率,直到電池電壓降至2.4V以下。因此,表8是表7的修改版本,顯示MAX1472和MAX1947組合的電池壽命為87小時,而MAX7060為31.75小時,MAX1472為9.85小時。

表 8.電池壽命比較,最小發(fā)射功率為 +10 dBm
電池電壓范圍 (V) 使用的增量電池容量 (mAh) 電流:mA MAX1472,2.7V +10dBm 匹配 計算電池壽命 (h) 電流:mA MAX1472和MAX1947 計算電池壽命 (h) 電流:mA MAX7060,2.7V +10dBm 匹配 計算電池壽命 (h)
3.0 到 2.7 100 10.15 9.85 9.81 10.20 14.72 6.80
2.7 到 2.4 350 發(fā)射功率低于 +10dBm 11.13 31.45 14.03 24.96
2.4 到 2.1 450 12.80 35.17 發(fā)射功率低于 +10dBm
2.1 到 1.8 150 14.73 10.19
有效電池壽命(小時) 9.85 87.00 31.75

+9dBm(最小值)發(fā)射器功率下的電池壽命

表9顯示了當(dāng)最小發(fā)射機功率要求放寬至+9dBm時的電池壽命比較?,F(xiàn)在,直接連接電池的MAX1472可以工作在2.4V以下,將電池壽命延長至47.9小時。MAX7060可以工作在低至2.1V的最小工作電壓。這將電池壽命提高到 66.78 小時。兩種配置均未達(dá)到MAX1472和MAX1947組合的87小時。

表 9.電池壽命比較,最小發(fā)射功率為+9dBm
電池電壓范圍 (V) 使用的增量電池容量 (mAh) 電流:mA MAX1472,2.7V +10dBm 匹配 計算電池壽命 (h) 電流:mA MAX1472和MAX1947 計算電池壽命 (h) 電流:mA MAX7060,2.7V +10dBm 匹配 計算電池壽命 (h)
3.0 到 2.7 100 10.15 9.85 9.81 10.20 14.72 6.80
2.7 到 2.4 350 9.20 38.04 11.13 31.45 14.03 24.96
2.4 到 2.1 450 發(fā)射功率低于 +9dBm 12.80 35.17 12.85 35.03
2.1 到 1.8 150 14.73 10.19
有效電池壽命(小時) 47.90 87.00 66.78

電池壽命至最低器件電源電壓

表10顯示,當(dāng)取消所有發(fā)送器功率限制后,直接連接到電池的MAX1472可提供最長的電池壽命(102.77小時)。然而,在其電壓范圍的低端,其發(fā)射功率降至+8dBm以下。MAX1472和MAX1947組合提供87小時的電池壽命,是單獨使用MAX1472電池壽命的85%。MAX7060保持至少+9dBm的發(fā)送器功率,但提供66.78小時的電池壽命(約為MAX1472和MAX1947組合的77%),因為它設(shè)計用于更高的發(fā)射功率,并且使用效率較低的方式來實現(xiàn)恒定的發(fā)射功率。

表 10.全電壓范圍內(nèi)的電池壽命比較
電池電壓范圍 (V) 使用的增量電池容量 (mAh) 電流:mA MAX1472,2.7V +10dBm 匹配 計算電池壽命 (h) 電流:mA MAX1472和MAX1947 計算電池壽命 (h) 電流:mA MAX7060,2.7V +10dBm 匹配 計算電池壽命 (h)
3.0 到 2.7 100 10.15 9.85 9.81 10.20 14.72 6.80
2.7 到 2.4 350 9.20 38.04 11.13 31.45 14.03 24.96
2.4 到 2.1 450 8.20 54.88 12.80 35.17 12.85 35.03
2.1 到 1.8 150 14.73 10.19
有效電池壽命(小時) 102.77 87.00 66.78

這些測量結(jié)果表明,在MAX1472等簡單的ISM發(fā)送器上增加升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器,可以在較寬的電池電壓范圍內(nèi)保持恒定的發(fā)射功率(0.5dB以內(nèi)),而與簡單的MAX1472發(fā)送器相比,在電池壽命內(nèi)發(fā)射功率下降4dB,僅犧牲15%的電池壽命。鑒于這些發(fā)射器的大多數(shù)應(yīng)用的占空比非常低,以至于器件中的待機電流占電池壽命的很大一部分,因此電池壽命的實際減少可能更低。

結(jié)果:電源紋波和ASK無線電鏈路的質(zhì)量

到目前為止,只解決了直流電流消耗和發(fā)射功率變化之間的權(quán)衡問題。將高效(> 80%)升壓轉(zhuǎn)換器與具有精心選擇的阻抗匹配的發(fā)射器相結(jié)合,可以產(chǎn)生恒定功率發(fā)射器,在電池的使用壽命內(nèi)平均電流消耗略高,這并不奇怪。同樣(如果不是更重要的話)重要的是電壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的交流紋波對傳輸信號質(zhì)量和ASK通信鏈路完整性的影響。

用于本研究的DC-DC轉(zhuǎn)換器是一種升壓或升壓轉(zhuǎn)換器,它使用臨時接地的外部電感器從電池中吸取電流。之后,電感通過并聯(lián)平滑電容器切換到負(fù)載。開關(guān)功能的頻率和占空比取決于電感、電容和消耗的電流。高效 (>80%) DC-DC 轉(zhuǎn)換器有很多類別,與效率較低的線性穩(wěn)壓器相比,它們以高交流紋波電壓而聞名。

這一系列測試表征了紋波(VP-P和頻率)并確定其對傳輸信號的影響。

3.3V發(fā)送器電源電壓與輸入(電池)電壓的紋波關(guān)系

MAX1472評估板連接MAX1947ET33 (3.3V輸出電壓),如圖3所示。MAX1947的電池電壓輸入范圍為1.8V至3.3V(高于3.3V時,MAX1947剛好通過輸入電壓)。示波器探頭連接到MAX1947評估板的OUT測試點,并檢查每個電源的紋波特性(V巴特) 設(shè)置已記錄。表11顯示了峰峰值幅度和紋波周期。紋波波形為鋸齒波,這是使用閾值反饋過程而不是占空比控制轉(zhuǎn)換器的遲滯轉(zhuǎn)換器的特征。

表 11.MAX1947的交流紋波特性 負(fù)載MAX1472發(fā)送器輸出電壓 電池電壓峰峰值紋波幅度(mV) 紋波周期(μs)
電池電壓 峰峰值紋波幅度 (mV) 紋波周期(微秒)
1.8 75 45
2.1 100 70
2.4 100 80
2.7 100 120
3.0 160 180
3.3 220 330

隨著輸入電壓的增加,紋波幅度從大約75mV增加到150mV;頻率從大約20kHz降低到5kHz。紋波幅度可以通過改變負(fù)載電容值來減小。圖8和圖9顯示了電池電壓為1.8V和3.0V時的紋波走線(升壓比最高和最低)。

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圖8.DC-DC 轉(zhuǎn)換器輸出紋波電壓,用于 1.8V 至 3.3V 轉(zhuǎn)換。

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圖9.DC-DC 轉(zhuǎn)換器輸出紋波電壓,可實現(xiàn) 3.0V 至 3.3V 轉(zhuǎn)換。

發(fā)射器直流電源上的紋波對無線電鏈路有兩個潛在的有害影響:首先,發(fā)射頻譜的擴展;其次,將紋波從電源傳輸?shù)浇邮掌髦薪庹{(diào)的ASK頻譜。

這些測試表明,即使是強電源紋波(100mV)P-P)似乎沒有明顯傳播或提高發(fā)射頻譜。它也不會降低遠(yuǎn)高于靈敏度水平的信號的接收。雖然無法進(jìn)行靈敏度級別的測量,但似乎適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)過濾將防止紋波降低靈敏度。

結(jié)論和建議

MAX1472發(fā)送器和MAX1947升壓轉(zhuǎn)換器的組合實現(xiàn)了在電池電壓范圍內(nèi)保持恒定發(fā)射功率的理想目標(biāo)。在要求最小發(fā)送器功率為+10dBm的情況下,MAX1472和MAX1947組合的電池壽命幾乎是簡單發(fā)送器的9倍。即使允許最小發(fā)射功率降至+9dBm,電池壽命也幾乎增加了一倍。

與在典型電池壽命期間發(fā)射功率降低 4dB 的簡單發(fā)射器相比,這種組合的效率約為 85%。它表現(xiàn)為變送器功率與直流功率的比率,其中帶轉(zhuǎn)換器的變送器效率約為不帶變頻器的效率的85%。這也體現(xiàn)在電池壽命的計算中,當(dāng)發(fā)射功率隨電池電壓下降時,恒定傳輸功率電池壽命正好是電池壽命的85%。

在必須在整個電池壽命內(nèi)保持發(fā)射器功率的情況下,最壞的情況是電池壽命縮短15%。實際上,這種權(quán)衡小于15%,因為大多數(shù)便攜式發(fā)射器應(yīng)用具有低占空比,待機電流將占電池消耗的很大一部分。

交流紋波是高效電壓轉(zhuǎn)換器的副產(chǎn)品,會降低發(fā)射器頻譜,但不足以降低ASK無線電鏈路的質(zhì)量,也不足以違反FCC(美國)或ETSI(歐洲)的發(fā)射限制。此外,可以使用交流紋波幅度低得多的其他類型的高效電壓轉(zhuǎn)換器,這將使頻譜貢獻(xiàn)在大多數(shù)短程無線電鏈路中不明顯。

目前,采用本應(yīng)用筆記中的器件或類似器件的雙芯片解決方案現(xiàn)已上市。這兩款器件的占位面積都很小(3mm x 3mm),在現(xiàn)有發(fā)送器電路中增加電壓轉(zhuǎn)換器后,外部元件數(shù)量僅增加了三個。這兩個功能器件可以組合成一個IC,從而進(jìn)一步節(jié)省成本、面積和元件數(shù)量。

審核編輯:郭婷

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