下一代電源解決方案的基礎(chǔ)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)輕松的位置跟蹤

移動(dòng)性正在以驚人的速度增加，位置跟蹤被證明非常有用。利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) （GNSS） 的設(shè)備可提供有用的位置信息。在空間受限、可穿戴或便攜式設(shè)備中，GNSS 接收機(jī)的電源管理對(duì)于設(shè)備功能和性能至關(guān)重要。本應(yīng)用筆記重點(diǎn)介紹使用ADI公司的單電感多輸出（SIMO）電源管理集成電路（PMIC）進(jìn)行便攜式位置跟蹤的優(yōu)勢(shì)，并特別關(guān)注降噪、節(jié)能、BOM減少和解決方案尺寸最小化。

介紹

在從消費(fèi)到工業(yè)的眾多行業(yè)中，越來(lái)越需要以極高的精度和準(zhǔn)確度實(shí)時(shí)跟蹤位置。無(wú)論是定位親人、跟蹤包裹、在戶外導(dǎo)航還是管理資產(chǎn)，擁有可訪問(wèn)、緊湊、準(zhǔn)確、精確和連續(xù)的定位服務(wù)都能讓您高枕無(wú)憂。緊湊型位置跟蹤系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵組件是電源解決方案，因?yàn)槠湫屎驮肼曁匦灾苯佑绊懻麄€(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間和精度。因此，創(chuàng)新下一代電源解決方案以進(jìn)一步提高位置跟蹤器的功能非常重要。本應(yīng)用筆記討論了為緊湊型位置跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)電源解決方案的技術(shù)挑戰(zhàn)，重點(diǎn)介紹了使用ADI公司的單電感多輸出（SIMO）電源管理集成電路（PMIC）的優(yōu)勢(shì)。主要重點(diǎn)是降噪、節(jié)能和最小化占地面積。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)概述

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）始于1978年，隨著美國(guó)全球定位系統(tǒng)（GPS）衛(wèi)星星座的發(fā)射。從那時(shí)起，GNSS已經(jīng)發(fā)展到包括來(lái)自俄羅斯，歐盟，中國(guó)，日本和印度的衛(wèi)星。為了實(shí)現(xiàn)位置跟蹤，每顆衛(wèi)星不斷傳輸三個(gè)關(guān)鍵信息：

傳輸時(shí)間，精度在3ns以內(nèi)。

由高度、緯度和經(jīng)度組成的衛(wèi)星位置（基于已知軌道和確切時(shí)間）。

部分年鑒，包含有關(guān)地球接收器接下來(lái)可以與之通信的衛(wèi)星的信息。

利用來(lái)自至少三顆衛(wèi)星的GNSS信息，接收器可以根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間（相當(dāng)于與衛(wèi)星的距離）和衛(wèi)星的已知位置計(jì)算其在地球上的粗略位置。當(dāng)使用更多的衛(wèi)星時(shí)，接收器的位置計(jì)算變得更加準(zhǔn)確和精確，但代價(jià)是使用更多的功率。

便攜式 GNSS 設(shè)備挑戰(zhàn)

由于GNSS信號(hào)至少傳播20，200公里才能到達(dá)地球，并且以28.6°的錐體分布，因此衛(wèi)星和接收器之間存在顯著的信號(hào)衰減。定位精度與信號(hào)中相對(duì)于信號(hào)強(qiáng)度的噪聲量直接相關(guān)。大氣、干擾信號(hào)和物理障礙（如茂密的樹(shù)林或建筑物）會(huì)增加噪聲和反射信號(hào)，這使得準(zhǔn)確的位置跟蹤具有挑戰(zhàn)性。最初重新啟動(dòng) GNSS 接收器（冷啟動(dòng)）時(shí)，設(shè)備必須查找可用的衛(wèi)星。為了快速鎖定有用的衛(wèi)星，接收器必須進(jìn)行多次數(shù)據(jù)密集型計(jì)算，這反過(guò)來(lái)又需要更多的功率。為移動(dòng) GNSS 設(shè)備供電非常困難，因?yàn)橄M(fèi)趨勢(shì)需要下一代技術(shù)來(lái)提高準(zhǔn)確性、精度和處理速度，同時(shí)延長(zhǎng)電池壽命并減小整體外形尺寸。

對(duì)于可穿戴或便攜式定位設(shè)備，有三個(gè)主要的設(shè)計(jì)考慮因素：

將內(nèi)部噪聲降至最低，以確保 GNSS 信號(hào)的最高保真度。

保持低功耗，確保連續(xù)使用也能延長(zhǎng)電池壽命。

確保解決方案尺寸小，以提高最終產(chǎn)品的耐磨性或便攜性。

GNSS 接收器需要考慮四個(gè)電源軌。圖 2 描述了常見(jiàn)的 GNSS 接收器和電源管理配置。接收器最耗電的輸入是V核心，用于管理位置計(jì)算。使用時(shí)，V核心可連續(xù)吸收高達(dá)20mA的電流。接收器的低噪聲放大器（LNA）也獲得電源，這對(duì)于接收和解調(diào)衛(wèi)星信號(hào)至關(guān)重要。LNA 電壓軌必須具有盡可能小的固有噪聲，以保持 GNSS 報(bào)文的最高保真度。為了管理數(shù)字通信、存儲(chǔ)器和其他系統(tǒng)功能，還向 V 供電DD和 V我.

圖2.采用ADI公司SIMO PMIC的GNSS接收器。

圖2所示的電源解決方案是ADI公司的SIMO PMIC。該電源解決方案實(shí)現(xiàn)了單電感多輸出 （SIMO） 拓?fù)?，與 GNSS 接收器相比具有多種優(yōu)勢(shì)。通過(guò)使用 SIMO PMIC，可提供 GNSS 接收器所需的四個(gè)電源軌，同時(shí)保持低噪聲、高效率和少量外部組件。以下各節(jié)將詳細(xì)介紹使用 SIMO 電源管理解決方案的這些優(yōu)勢(shì)。

有關(guān) SIMO 架構(gòu)的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱 SIMO 白皮書(shū)。

噪音管理

對(duì)于GNSS接收機(jī)，內(nèi)部噪聲抑制尤為重要，因?yàn)榻邮招盘?hào)可能已經(jīng)具有明顯的固有噪聲，這會(huì)降低位置跟蹤的性能?，F(xiàn)代GNSS接收機(jī)正變得高度敏感（推動(dòng)-160dBm），這意味著它們可以接收非常低的功率信號(hào)。雖然這意味著通過(guò)更小的天線減小終端設(shè)備的尺寸，但也意味著噪聲考慮更為重要。為了保留高質(zhì)量的信號(hào)，解調(diào)和解碼GNSS信號(hào)的內(nèi)部系統(tǒng)必須具有穩(wěn)定的電源。因此，低壓差（LDO）穩(wěn)壓器用于為接收器的LNA供電，并將其他電源軌上的紋波降至最低。使用 SIMO 電源解決方案，峰值電感電流是可配置的，從而提供輸出電壓紋波幅度的控制。圖3顯示了用于為GNSS接收器供電的每個(gè)通道的紋波。藍(lán)線對(duì)應(yīng)于 V核心，用于管理位置計(jì)算。紅線對(duì)應(yīng)于VDD，提供給數(shù)字通信。綠線對(duì)應(yīng)V我，橙色線對(duì)應(yīng)于 V液化天然氣，為噪聲敏感LNA供電。精確操作，紋波< 20mV聚丙烯建議使用 V核心在DD和 V我.而對(duì)于 V液化天然氣，為噪聲最敏感的子系統(tǒng)供電的電源軌，紋波為 < 5mV聚丙烯建議。

圖3.SIMO 電源解決方案的紋波測(cè)量。

省電

GNSS 接收機(jī)通常不需要連續(xù)接收和處理數(shù)據(jù)。例如，在緩慢移動(dòng)的應(yīng)用中，可能只需要每30秒讀取一次讀數(shù)即可提供準(zhǔn)確的位置。因此，GNSS 接收器在待機(jī)時(shí)進(jìn)入低功耗模式是有益的。GNSS接收器的功率損耗與工作電壓的平方成正比。為了節(jié)省功率，SIMO PMIC 可以通過(guò)降低提供給 GNSS 接收器的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)低功耗模式。電壓調(diào)節(jié)可由PMIC通用輸入/輸出（GPIO）引腳之一進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制。當(dāng)GNSS接收器的工作要求較低時(shí)（例如，冷啟動(dòng)后或位置讀數(shù)/計(jì)算之間），SIMO PMIC可以降低電源電壓。圖 4 提供了 SIMO PMIC 電壓調(diào)節(jié)功能的示例，這些功能與 GNSS 接收器系統(tǒng)要求有關(guān)。藍(lán)線表示用于 V 的 SIMO 電源軌核心.當(dāng)需要高功率狀態(tài)時(shí)，GPIO 切換為低電平以設(shè)置 V核心電壓至0.7V。否則，當(dāng)需要低功耗狀態(tài)時(shí)，GPIO 切換為高電平以更改 V核心它0.5V。

圖4.動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié) （DVS） V核心與西莫PMIC。DVS 下降轉(zhuǎn)換時(shí)間取決于負(fù)載。

由于電池壽命對(duì)于可穿戴和便攜式設(shè)備的可用性至關(guān)重要，因此GNSS接收機(jī)系統(tǒng)的效率是一個(gè)主要的設(shè)計(jì)考慮因素。與傳統(tǒng)的分立式電源解決方案相比，SIMO PMIC 顯著提高了系統(tǒng)效率并降低了功耗，從而延長(zhǎng)了電池壽命或減小了終端設(shè)備的電池容量（和尺寸）。如圖5所示，當(dāng)使用SIMO PMIC為可穿戴GNSS接收機(jī)供電時(shí)，與傳統(tǒng)的分立電源解決方案（左）相比，系統(tǒng)效率提高了15.5%（右）。由于SIMO PMIC具有三個(gè)易于編程的開(kāi)關(guān)輸出，因此可以調(diào)整LNA線性穩(wěn)壓器的裕量以實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)效率。因此，SIMO實(shí)現(xiàn)降低了從電池汲取的電流，從而將電池壽命延長(zhǎng)了25%。

圖5.傳統(tǒng)電源解決方案與SIMO PMIC的功耗比較

尺寸和物料清單減少

空間在帶有GNSS接收器的可穿戴和便攜式設(shè)備中非常寶貴。為了最大限度地利用天線和電池等性能在很大程度上取決于尺寸的組件的可用空間，減小控制電路的尺寸和PCB體積至關(guān)重要。由于ADI公司的SIMO拓?fù)鋬H使用一個(gè)電感來(lái)調(diào)節(jié)三個(gè)高效開(kāi)關(guān)輸出，因此與分立方法相比，節(jié)省了大量空間，并且所需的元件更少。圖 6 顯示了傳統(tǒng)電源管理系統(tǒng)（左）和 SIMO 電源管理系統(tǒng)（右）之間的封裝比較。傳統(tǒng)系統(tǒng)包括兩個(gè)分立式降壓穩(wěn)壓器、兩個(gè)線性穩(wěn)壓器和十二個(gè)無(wú)源元件。SIMO 電源管理系統(tǒng)包括一個(gè)單片 PMIC 和七個(gè)無(wú)源元件。這兩種解決方案都涵蓋了GNSS接收器所需的電壓軌。然而，SIMO PMIC 將溶液尺寸面積減少了 8.7mm2 或 ~30%。由于電感器是最大的無(wú)源元件，因此SIMO PMIC只需要一個(gè)電感器即可節(jié)省大部分空間。

圖6.傳統(tǒng)電源管理（左，28.7mm2，20 個(gè)外部組件）與 SIMO PMIC（右，<> 毫米2，七個(gè)外部組件）。

總結(jié)

在考慮可穿戴GNSS接收器的功率需求和器件限制時(shí)，ADI公司的單電感多輸出（SIMO）電源管理集成電路（PMIC）提供了出色的解決方案。由于低噪聲、長(zhǎng)電池壽命和小解決方案尺寸在 GNSS 系統(tǒng)中至關(guān)重要，SIMO 電源解決方案通過(guò)僅使用一個(gè)電感器實(shí)現(xiàn)可編程紋波控制、動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)和三個(gè)輸出軌調(diào)節(jié)來(lái)滿足這些設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。因此，當(dāng)使用 SIMO 電源解決方案時(shí)，GNSS 接收器可以使用更長(zhǎng)的使用壽命或使用更小的電池，具有更高的精度和精度，并且易于適應(yīng)可穿戴外形。

審核編輯：郭婷