? 4G模組的外部電源供電設(shè)計(jì)十分重要，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定、射頻性能都有直接影響。

怎么讓工程師朋友們?cè)趹?yīng)用開(kāi)發(fā)中少走彎路呢？

我將以Air780E為例，陸續(xù)分享系列實(shí)用干貨。無(wú)論你是專家還是菜鳥，無(wú)論你是否使用的是合宙4G模組，都值得一看。

今天繼續(xù)分享——供電設(shè)計(jì)及其選型推薦

Air780E供電設(shè)計(jì)及其選型推薦

常見(jiàn)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景下，對(duì)Air780E的供電方式有：

• LDO供電方式
• DCDC供電方式
• 鋰電池供電以及充電方式
• 不可充電鋰亞/鋰錳電池供電方式

接下來(lái)，我們?cè)敿?xì)講解四種方式及其選型推薦。

一、LDO供電方式

使用LDO電源芯片線性降壓的供電方案，原理簡(jiǎn)單，電路、走線要求都相對(duì)較低，而且輸出電源干擾小，穩(wěn)定，對(duì)射頻、天線等影響較小。

但是由于4G-Cat.1系統(tǒng)的特色性，對(duì)LDO的選型要求較高。

一般LDO的電源參考設(shè)計(jì)如下：

?

對(duì)于LDO電源的設(shè)計(jì)與選型，有幾點(diǎn)注意事項(xiàng)：

1. 輸入電壓和輸出電壓壓差盡量小

由于LDO常用的是MOS半導(dǎo)通的降壓特性，輸入電壓和輸出電壓差會(huì)加在LDO兩端，會(huì)導(dǎo)致LDO承受耗散功率，造成發(fā)熱和能量損失。

而4G-Cat.1的工作特性，在射頻工作時(shí)，最大平均電流（FDD最大發(fā)射功率情況下）會(huì)達(dá)到600~700mA，使得LDO承受的耗散功率尤為嚴(yán)重。

為了最小化電壓差，建議LDO輸出電壓設(shè)置為接近4.2V，而輸入電壓建議不要超過(guò)5V，否則不建議采用LDO電源方案。

2. LDO器件封裝選擇

不少人選擇LDO器件，只看器件的最大輸出電流是否滿足模組的要求電流，這種做法是錯(cuò)誤的。LDO選型最重要的參數(shù)是熱阻?JA，表示芯片內(nèi)部熱結(jié)點(diǎn)到周圍環(huán)境的熱阻。

通常芯片內(nèi)部的結(jié)溫的計(jì)算公式為：

?

其中：Tj為芯片結(jié)溫；R?JA為熱阻；TA為室溫；PD為L(zhǎng)DO芯片的耗散功率；

對(duì)于芯片結(jié)溫Tj，通常規(guī)格書會(huì)給出當(dāng)前芯片的最大允許的工作溫度，比如：

?

也就是，計(jì)算出來(lái)的LDO結(jié)溫度不能超過(guò)125°C。

而通常R?JA熱阻與LDO的封裝形式高度相關(guān)，具體可以查閱相關(guān)LDO芯片規(guī)格書。

例如：

?

從上圖規(guī)格書中我們可以得知SO-8封裝的熱阻為160°C/W，按照Air780E最大平均功率700mA，LDO壓差1V計(jì)算，室溫25°下：

SO-8封裝的LDO結(jié)溫為：

0.7x1x160+25 = 137 °C

高于規(guī)格書要求的125°C的最大工作結(jié)溫，所以SO-8的封裝不滿足4G-Cat.1應(yīng)用要求。

所以，通常推薦選擇封裝為TO-252、SOT-223等這些帶大面積散熱PAD的封裝。 同時(shí)在PCB布局的時(shí)候，要在空間允許的情況下，盡量增加散熱PAD的鋪銅面積以及盡量多的過(guò)孔導(dǎo)熱到PCB對(duì)面層增加散熱面積。

3. LDO布局遠(yuǎn)離熱敏感器件

4G-Cat.1模組供電LDO由于是比較大的熱源，在熱敏感的功能區(qū)域要尤其注意要遠(yuǎn)離。

比如：GPS、晶體振蕩器、熱敏感傳感器。

4. LDO的輸出電容的選擇

LDO輸出電容容值不是越大越好，不合適的容值會(huì)導(dǎo)致輸出震蕩。計(jì)算公式相對(duì)復(fù)雜，這里不再贅述，感興趣可以查閱反饋回路設(shè)計(jì)相關(guān)資料。

若實(shí)際使用中遇到LDO輸出震蕩問(wèn)題，調(diào)整輸出電容即可，一般來(lái)說(shuō)，只要按照LDO規(guī)格書推薦的輸出電容值就可以。注意靠近LDO輸出管腳放置。

5. 推薦的LDO選型

• MIC29302WU TO-263-5
• LM317D2T-TR TO-263-2
• LM317DCYR SOT-223-3

LDO選型不限于以上型號(hào)，可按實(shí)際需求參考選型。

二、DCDC供電方式

DC to DC開(kāi)關(guān)電源的供電方式，是4G-Cat.1模組常用的方式。 其輸出電流高，輸入電壓范圍廣，而且功耗相對(duì)LDO要低，發(fā)熱小，同時(shí)不需如LDO的大面積散熱覆銅。

但是比較致命的缺點(diǎn)是——容易對(duì)射頻部分和天線部分造成傳導(dǎo)或耦合干擾，從而影響模組的接受性能。不過(guò)這個(gè)問(wèn)題，可以通過(guò)合理的DCDC電源設(shè)計(jì)以及PCB布局走線來(lái)優(yōu)化解決。

DCDC參考設(shè)計(jì)示例如下：

?

1. DCDC功能電路

接下來(lái)，以上圖杰華特的JW5359M開(kāi)關(guān)電源舉例，講解各個(gè)部分的功能電路。

1）C1和C25構(gòu)成輸入電容：

其中C1大電容為可選，主要作用是放置于電源連接器附近，用于消除電源插拔時(shí)的尖峰電壓；C25 22uf要靠近開(kāi)關(guān)電源的電源輸入管腳放置。C25電容選型除了耐壓要滿足輸入電壓要求外，還要選用低ESR的電容，建議用陶瓷MLCC電容。

2）C16為自舉電容：

用于在DCDC內(nèi)部下管關(guān)閉后能夠迅速將上管柵極的電壓提高至上管導(dǎo)通，在選型時(shí)要注意C16的耐壓要大于輸入電壓。

3）L2為功率電感：

電感的感值范圍可以由芯片規(guī)格書中公式進(jìn)行計(jì)算得出，這里不做贅述。

功率電感的選型除了關(guān)注感值外還需注意下面的幾個(gè)參數(shù)：

?

4）飽和電流（Isat）：

也就是導(dǎo)致功率電感磁飽和時(shí)的最大電流。功率電感進(jìn)入磁飽和后，此時(shí)電流的增大不再轉(zhuǎn)換為磁通量的增加，即立刻失去了電感的特性，導(dǎo)致短路大電流。

電感的飽和電流一定要大于DCDC輸出的最大峰值電流。

注意，最大峰值電流并不等于輸出電流。而是等于輸出電流加上最大紋波電流，最大紋波電流可以按照輸出電流的50%來(lái)估算。

比如DCDC的最大輸出電流為1A，則最大紋波電流為0.5A，于是最大峰值電流為1.5A，因此選擇功率電感的飽和電流要大于1.5A。

5）溫升電流（Irms）：

功率電感的飽和電流不是固定不變的，通常會(huì)隨著溫度的升高而飽和電流降低。通常Irms是指電感溫度在40度時(shí)的飽和電流。所以溫升電流（Irms）通常會(huì)小于額定的飽和電流（Isat）。所以在做電感選型時(shí)主要Irms也要高于DCDC的最大峰值電流。

6）等效直流阻抗（DCR）：

也就是功率電感的內(nèi)阻，主要影響電感的發(fā)熱，較大的內(nèi)阻會(huì)使得功率電感溫度更容易升高，從而降低功率電感的感值和飽和電流。

通常功率電感的內(nèi)阻通常與封裝大小直接相關(guān)，相同感值下封裝更大的電感往往內(nèi)阻較小。

7）反饋網(wǎng)絡(luò)（R21，R22，C19）：

R21，R22分壓構(gòu)成調(diào)整輸出電壓的反饋，這里不做過(guò)多闡述。

注意，C19作為前饋電容主要作用是加快DCDC系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)，能夠讓DCDC在系統(tǒng)負(fù)載突然變化時(shí)，能夠更快的響應(yīng)，使得輸出迅速穩(wěn)定。

通常前饋電容是可選的，但是對(duì)于4G-Cat.1系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于射頻脈沖式的工作形式，導(dǎo)致4G-Cat.1系統(tǒng)對(duì)供電的瞬態(tài)響應(yīng)要求高，因此前饋電容建議加上。前饋電容的值選擇建議對(duì)于DCDC芯片規(guī)格書推薦值，由于前饋電容會(huì)影響DCDC反饋環(huán)路的相位，不合適的值會(huì)影響環(huán)路穩(wěn)定性，從而引起震蕩。

8）C34輸出電容：

輸出電容比較重要，與功率電感一起，影響著DCDC的紋波電壓大小。輸出電容的計(jì)算方法在DCDC芯片規(guī)格書里描述得很詳細(xì)，不做贅述。

需要注意的是輸出電容要選擇ESR較小的MLCC陶瓷電容或者鉭電容，且靠近DCDC輸出放置。

2. DCDC開(kāi)關(guān)電源的布局要求

DCDC開(kāi)關(guān)電源的布局很重要，對(duì)4G-Cat.1射頻靈敏度有很大的影響。

典型的布局較差的DCDC輸出波形如下：

?

上圖波形能看到兩種周期性的波形：呈現(xiàn)三角形，幅度相對(duì)較小的電源紋波；和尖峰脈沖幅值較大的地彈噪聲。

這里涉及電源紋波和地彈噪聲兩個(gè)概念：

1）電源紋波：

是由開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)特性和功率電感輸出電容充放電共同作用的結(jié)果，只要紋波電壓幅值不大，基本不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。如上圖紋波電壓峰峰值在20mv左右，相對(duì)較小屬于正常范圍。

調(diào)節(jié)功率電感值和輸出電容值以及開(kāi)關(guān)頻率，均可以優(yōu)化紋波電壓。

2）地彈噪聲：

由于脈沖時(shí)間短頻率高而且幅值較大，其高頻分量通過(guò)電源傳到到射頻部分很容易對(duì)射頻造成干擾，造成靈敏度惡化。

所以，地彈噪聲是我們要消除的最大敵人。

地彈噪聲產(chǎn)生的原因——是由于DCDC開(kāi)關(guān)電源在工作時(shí)，上管和下管分別交替打開(kāi)，電流環(huán)路變化而造成的磁通量變換，從而在電流環(huán)路上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，也就是尖峰電壓。

如下圖，所以觀察上圖波形，可以看到地彈噪聲都是出現(xiàn)在上下管切換的時(shí)刻。所以，地彈噪聲想要通過(guò)調(diào)節(jié)電容和電感值去優(yōu)化噪聲是不可達(dá)到的。

?

輸入電容和輸出電容與DCDC芯片共同構(gòu)成電流回路，也就是兩者回路面積越大，產(chǎn)生的磁通量變化越大，也就是產(chǎn)生地彈噪聲越大。

因此想要盡可能的最小化噪聲，就要在輸出電容和輸入電容的辦法上做文章。

3. DCDC電源布局示例：

?

上圖輸入電容和輸出電容直接放置在輸入輸出管腳的近端，同時(shí)電容地管腳直接就近連接到芯片的地管腳，從而整個(gè)輸入輸出電流環(huán)路面積最小。

4. DCDC布局建議：

• 優(yōu)先布局輸入輸出電容，首先將輸入輸出電容靠近芯片放置，再考慮其他部分的布局。
• 輸入輸出電容的地管腳和DCDC芯片地管腳直接的回路連接，要盡量在表層連接，最好有一定寬度的覆銅。不建議通過(guò)過(guò)孔通過(guò)其他層連接，效果較差。
• 芯片SW管腳與電感連接的走線盡量短，以減小對(duì)外的輻射。
• 其他的一些通用的設(shè)計(jì)規(guī)則不再贅述。

總之，由于地彈噪聲一旦發(fā)生，在已經(jīng)成型的PCB上就很難通過(guò)常規(guī)的硬件整改來(lái)定位問(wèn)題和改善。因此，在設(shè)計(jì)的時(shí)候就要特別關(guān)注DCDC開(kāi)關(guān)電路的布局和走線。

三、鋰電池供電以及充電方式

通過(guò)直接用鋰電池給模組供電的方式適合運(yùn)用在 便攜式物聯(lián)網(wǎng)的場(chǎng)景， 鋰電池供電讓身邊正常工作，充電進(jìn)行補(bǔ)能。

鋰電池的放電特性具有較高的瞬態(tài)放電能力而且內(nèi)阻較低，對(duì)于4G-Cat.1系統(tǒng)是比較理想的供電方式，而且Air780E模組的供電電壓范圍3.3V~4.3V是完全按照鋰電池的放電特性來(lái)設(shè)計(jì)。

1. 電池直接給模組供電的參考設(shè)計(jì)：

?

C49 220uF是補(bǔ)能電容：

由于鋰電池的低內(nèi)阻和高放電能力，加上本身應(yīng)用于便攜式產(chǎn)品，空間尺寸優(yōu)先。因此本不需要較大的電容，但是考慮到實(shí)際PCB電源走線長(zhǎng)度以及電池連接器接觸阻抗和電池引線長(zhǎng)度等會(huì)引入額外的不確定的阻抗，因此會(huì)建議酌情加上220uf電容，建議選用低ESR的鉭電容。

C50 C51 C52 構(gòu)成旁路電容濾波組：

不同容值的電容會(huì)有不同的協(xié)振動(dòng)點(diǎn)，組合起來(lái)能夠增加濾波的高頻帶寬，比單一濾波電容有低的高頻阻抗。

TVS1作為電源端的ESD保護(hù)器件：

建議在設(shè)計(jì)時(shí)要加上，會(huì)顯著降低售后不良率。

TVS1參考選型：

PTVSHC3D4V5BH 芯導(dǎo)：

GESDBL4V5Y1 格瑞寶。

2. 充電電路：

對(duì)于鋰電池的充電有兩種方式： 線性充電和開(kāi)關(guān)充電。 它們的工作原理類似于LDO和DCDC開(kāi)關(guān)電源的原理。

• 對(duì)于500mA以下的充電電流優(yōu)選線性充電的方式，成本低，電路簡(jiǎn)單，干擾較??；
• 對(duì)于1A以上的充電電流優(yōu)先選擇開(kāi)關(guān)充電的充電方式；
• 在500mA~1A之前，根據(jù)產(chǎn)品的空間尺寸，散熱情況選擇合適的充電方式。

下圖以線性充電方式為例介紹具體參考設(shè)計(jì)：

?

▼ 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng) ▼

• D2和C18構(gòu)成輸入電源端的保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，靠近輸入端放置。若是5V USB進(jìn)行充電的話，C1容值不宜太大，否則容易觸發(fā)電腦USB的供電短路保護(hù)。如果是直流電源供電，C18建議采用100UF以上的電解電容，電源浪涌保護(hù)。
• 充電芯片CHRG管腳為充電指示管腳，通常為開(kāi)漏輸出，需要VBUS輸入電源上拉，同時(shí)可以通過(guò)二極管做隔離同時(shí)連接到主控MCU GPIO管腳做充電狀態(tài)判斷，如果采用Air780E做主控的open 二次開(kāi)發(fā)方式，需要連接到帶有中斷的GPIO。
• 充電芯片PROG管腳用于配置恒壓充電下的充電電流，由R5電阻的阻值進(jìn)行設(shè)置，具體參考實(shí)際的芯片規(guī)格書。建議加上Q4 NPN作為充電控制管腳，可以通過(guò)MCU或者Air780E GPIO進(jìn)行控制，注意Q4的口控制管腳要用VBUS上拉，同時(shí)分壓到IO電平對(duì)應(yīng)的電壓，達(dá)到充電芯片默認(rèn)開(kāi)啟狀態(tài)。
• 部分鋰電池會(huì)有溫度NTC管腳，用來(lái)檢測(cè)電池電壓，這里可以用VDD_EXT做分壓，通過(guò)ADC檢測(cè)電池溫度，方便做電池安全檢測(cè)。注意R30的值要根據(jù)具體的電池NTC電阻規(guī)格來(lái)計(jì)算，建議分壓后的值落在0~1.2V的ADC有效量程之中。

3. 充電路徑管理：

由于鋰電池的充電特性，在頻繁充放電的情況下會(huì)導(dǎo)致鋰電池壽命下降，因此 在外電長(zhǎng)供電的應(yīng)用場(chǎng)景下 （比如4G網(wǎng)絡(luò)攝像頭、無(wú)線固話、常供電的電瓶車定位器等），建議做充電路徑管理。

即：當(dāng)外電供電時(shí)會(huì)切斷電池與模組的供電連接，直接用外部電源給模組供電。

特別注意：

下圖線性充電參考設(shè)計(jì)的TP4056就沒(méi)有路徑管理功能，這種情況下，不能在電池不在的情況下用充電口直接給模組供電。

?

四、不可充電鋰亞/鋰錳電池供電方式

在需要超長(zhǎng)待機(jī)（以年計(jì)算），且不可拆卸的場(chǎng)景（例如：表計(jì)類應(yīng)用)，這類應(yīng)用往往需要待機(jī)甚至長(zhǎng)至10年。普通的可充電鋰聚合物電池由于自放電率高的問(wèn)題，無(wú)法適用于超長(zhǎng)待機(jī)的場(chǎng)景——這時(shí)，就需要用到不可充電的鋰亞/鋰錳電池。

?

1. 鋰亞硫酰氯(Li/SOCl2)電池 ：

能量最高的一種電池，不可充電，比能量可達(dá)590W·h/kg和1100（瓦時(shí)每立方分米）。鋰亞電池在其90%以上的容量上都能保持3.6V左右的放電電壓，在功率型鋰亞電池瞬時(shí)放電能力達(dá)到大于1A。

電特性及放低曲線如下圖示：

?

?

鋰亞硫酰氯(Li/SOCl2)電池能夠滿足4G-Cat.1通信模塊的供電要求，所以對(duì)于使用功率型鋰亞電池的場(chǎng)景，只需直接給Air780E模塊供電即可，無(wú)需做升壓設(shè)計(jì)。

2. 鋰二氧化錳電池：

能量密度對(duì)比鋰亞電池要小一些，但是由于其成本低的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。鋰錳電池工作電壓在2.5V~3.0V左右，瞬時(shí)放電能力在1A左右。

?

?

由于工作電壓較低，因此需要外接升壓電路才能給4G-Cat.1通信模塊供電。

▼ 升壓參考方案 ▼

對(duì)于升壓方案的選擇，低靜態(tài)功耗是核心，才能滿足超長(zhǎng)待機(jī)的應(yīng)用要求。

這里推薦TI的TPS610995升壓芯片（固定3.6V輸出版本）。TPS61099x器件是一款具有1μA超低靜態(tài)電流的同步升壓轉(zhuǎn)換器。該器件專為由堿性電池、鎳氫充電電池、鋰錳電池或鋰離子充電電池供電的產(chǎn)品而設(shè)計(jì)，能夠在輕載條件下高效運(yùn)行，這對(duì)延長(zhǎng)電池使用壽命至關(guān)重要。

參考設(shè)計(jì)如下：

?

注意：TPS610995要選擇固定升壓版本，可以省掉外部的反饋分壓電阻，能夠最小化反饋分壓上的靜態(tài)電流。

?

對(duì)于布局layout注意事項(xiàng)，同樣要遵循輸入輸出電容的最小路徑原則。

參考布局如下：

?

審核編輯 黃宇
?