GPS IC中的節(jié)能模式可延長應(yīng)用電池壽命

GPS功能已成為個人移動設(shè)備的基本要求。對于工程師來說，確保延長電池壽命的需求可能與要求連續(xù)GPS定位的應(yīng)用要求相沖突。通過采用節(jié)能策略，工程師可以為移動設(shè)備添加復(fù)雜的GPS功能。作為這種方法的基礎(chǔ)，工程師可以使用Skyworks和Maxim Integrated Products的GPS IC以及Antenova，Linx Technologies，LM Technologies，Taiyo Yuden和Telit的GPS模塊提供的各種低功耗工作模式。

在手機等個人移動設(shè)備中，GPS操作可以消耗與顯示器相同的功率。因此，GPS電路的有效功率管理可以對整個系統(tǒng)的電池壽命產(chǎn)生顯著影響。盡管應(yīng)用要求將在很大程度上推動GPS節(jié)能的有效限制，但工程師可以期望在初始GPS定位期間和GPS靜音狀態(tài)期間對功耗進(jìn)行相當(dāng)大的控制。

為了建立初始GPS定位，GPS設(shè)備需要年歷數(shù)據(jù)，星歷數(shù)據(jù)和衛(wèi)星修復(fù)。星歷數(shù)據(jù)提供當(dāng)前日期和時間以及衛(wèi)星健康數(shù)據(jù)，通?？稍?0至120秒內(nèi)獲取。年歷數(shù)據(jù)提供有關(guān)全天衛(wèi)星定位的信息，在獨立GPS系統(tǒng)中更新成本最高，需要幾分鐘才能以50 bps的速率下載衛(wèi)星下載。輔助GPS或A-GPS方法可以使用本地?zé)o線連接來訪問因特網(wǎng)以下載比直接衛(wèi)星下載快幾個數(shù)量級的歷書數(shù)據(jù)。

與歷書和星歷數(shù)據(jù)一起，GPS設(shè)備需要信號鎖，通常至少有四顆衛(wèi)星來計算其緯度，經(jīng)度，高度和時間。提供這些結(jié)果的初始集合所需的時間稱為首次定位時間（TTFF），并且通常是GPS設(shè)計中的節(jié)能工作的焦點。

TTFF的規(guī)格通常在三種情況下提供：

冷啟動 - GPS接收器沒有有效的星歷或年歷數(shù)據(jù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集的延遲延遲

熱啟動 - 接收器沒有有效的星歷數(shù)據(jù)，但具有有效的歷書數(shù)據(jù)，并且其最近存儲的位置信息仍然有效 - 通常導(dǎo)致30秒的數(shù)據(jù)采集延遲

熱啟動 - 接收器具有有效的星歷表和年歷數(shù)據(jù)和有效的近期定位修正信息，通常導(dǎo)致延遲一秒鐘以實現(xiàn)修復(fù)

在很大程度上，GPS電源管理的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是采用減少策略特別是在冷啟動和暖啟動期間的GPS功耗。同時，最大化GPS無線電接收器性能對于確保在定位過程的所有階段獲得最快的信號采集至關(guān)重要。例如，工程師需要優(yōu)化天線性能。低天線增益會侵蝕接收器靈敏度，可能會在任何工作模式下延長TTFF。此外，需要一個干凈的電源來幫助最小化噪聲源，這些噪聲源可能會對接收器信號鏈中的整體噪聲系數(shù)產(chǎn)生影響。嘈雜的電源會增加噪聲系數(shù)，從而降低接收器的靈敏度。但是，除了這些工程實踐外，GPS設(shè)備本身還提供各種功能，可幫助設(shè)計人員最大限度地降低功耗敏感的本地化應(yīng)用中的功耗。例如，Skyworks SE4110L GPS IC（圖1）提供三級功率控制 - 待機，振蕩器和活動。在工作模式下，器件僅消耗10 mA電流，通過使用外部振蕩器而不是IC的內(nèi)部晶振來提供參考頻率，可以進(jìn)一步降低0.4 mA。對于某些應(yīng)用，工程師也可以選擇禁用內(nèi)部LNA，這樣可以節(jié)省大約1.9 mA的電流。在僅振蕩器模式下，器件消耗1 mA，待機模式僅需3μA（典型值）或10μA（最大值）。 Skyworks SE4150L GPS IC在工作模式下功耗為15 mA，待機電流規(guī)格為10μA。工程師還可以在此設(shè)備上禁用內(nèi)部LNA，節(jié)省5 mA。

圖1：Skyworks SD4110L等GPS IC提供電源控制模式允許工程師根據(jù)應(yīng)用要求顯著降低功耗。 （由Skyworks友情提供）

對于其MAX2769 GPS IC（圖2），Maxim Integrated Products提供增量電源管理功能，工程師可以通過有選擇地將單個片上模塊的偏置電流編程為其建議的最小值來平衡性能和功耗。便捷省電模式將LNA，混頻器，LO和VCU電流設(shè)置為最小值。

圖2：Maxim MAX2769 GPS IC允許工程師有選擇地降低單個片上子系統(tǒng)的功耗。當(dāng)應(yīng)用程序要求允許時降低功耗會降低受影響子系統(tǒng)的功能。 （由Maxim Integrated Products提供）

MAX2769 IC中的其他設(shè)置將PLL從小數(shù)N模式切換到節(jié)能整數(shù)N模式，并將基帶濾波器從低通三階巴特沃茲濾波器重新配置為復(fù)數(shù)帶通五階巴特沃茲濾波器。雖然這種低功耗模式可將電流消耗降低至10 mA，但它也會使級聯(lián)噪聲系數(shù)增加至3.8 dB。典型工作模式下的功耗取決于配置：該器件包括兩個LNA，無論是否有源天線都可單獨使用。如果沒有LNA1處于活動狀態(tài)的天線，IC的功耗為18 mA，但噪聲系數(shù)為1.4 dB。使用LNA2處于活動狀態(tài)的天線時，功耗降至15 mA，但噪聲系數(shù)上升至2.7 dB。

工程師還可以從各種可用的GPS模塊中進(jìn)行選擇，這些模塊能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的系統(tǒng)級節(jié)能模式。例如，Telit Jupiter F2提供低功耗跟蹤模式，僅消耗10 mA。 Telit在其Jupiter系列模塊中包含額外的節(jié)能功能。例如，Jupiter模塊具有TricklePower模式，可通過適應(yīng)sGPS信號強度來降低功耗，在弱信號區(qū)域切換到全功率，在具有強GPS信號的位置切換到低功率。在這種模式下，Telit的Jupiter 32xLP模塊在1秒更新的情況下可以實現(xiàn)50％的功耗節(jié)省。 32xLP模塊還提供Push-To-Fix模式，可使GPS系統(tǒng)保持睡眠模式，直到被喚醒信號激活。同時，當(dāng)喚醒信號重新啟用活動模式時，設(shè)備能夠自動喚醒并刷新星歷數(shù)據(jù)以確保短TTFF。

工程師可以在其他可用的GPS模塊中找到各種節(jié)能模式，例如Antenova Radionova GPS模塊，Taiyo Yuden GYSFFMAXX GPS模塊，Linx Technologies SR和SG GPS模塊，以及LM Technologies LM477和LM478 GPS模塊。這些模塊主要用于要求更高的GPS應(yīng)用，通常以更高的功率要求為代價提供更復(fù)雜的功能。然而，工程師可以在此課程的每個模塊中找到一系列節(jié)能模式。