快速啟動(dòng)振蕩器提升超高性能

Maxim在單芯片超外差RF接收器器件中集成了獨(dú)特的快速啟動(dòng)振蕩器系統(tǒng)。這些接收器面向 300MHz 至 450MHz ISM （US） 頻段的應(yīng)用，通過(guò)縮短接收器的啟動(dòng)時(shí)間來(lái)節(jié)省電池電量?？焖賳?dòng)振蕩器電路可降低接收器掃描的占空比。

簡(jiǎn)單RF數(shù)據(jù)傳輸?shù)某Ｒ?jiàn)應(yīng)用是許多新車(chē)中使用的遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙進(jìn)入（RKE）系統(tǒng)，用于鎖定和解鎖車(chē)門(mén)，打開(kāi)后備箱和控制安全警報(bào)。未來(lái)的車(chē)輛將使用RKE來(lái)定位車(chē)輛并提供遠(yuǎn)程啟動(dòng)。

RKE系統(tǒng)的操作很簡(jiǎn)單。它由一個(gè)遙控鑰匙發(fā)射器（通常每個(gè)用戶(hù)一個(gè)）和一個(gè)基于車(chē)輛的接收器組成。工作頻率通常為300MHz至450MHz，但歐洲的一些新系統(tǒng)正在考慮ISM頻段的頻率分配為868MHz。通信是單工的，這意味著數(shù)據(jù)僅從發(fā)射器流向接收器。在證明這種架構(gòu)合理的眾多原因中，引用最多的是密鑰卡的低成本和更長(zhǎng)的電池壽命。

要啟動(dòng)操作，用戶(hù)按下遙控鑰匙上的按鈕，從而喚醒內(nèi)部微控制器，該微控制器立即將數(shù)據(jù)流輸出到RF發(fā)射器。數(shù)據(jù)流包括數(shù)據(jù)前導(dǎo)碼、實(shí)際命令（例如鎖門(mén)）、用于車(chē)對(duì)車(chē)安全的滾動(dòng)代碼，以確保您的遙控鑰匙不會(huì)解鎖另一輛車(chē)，以及（可能）一些校驗(yàn)位（圖 1）。

圖1.按下遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入 （RKE） 系統(tǒng)遙控鑰匙上的按鈕可啟動(dòng)短數(shù)據(jù)流的傳輸。

完整的數(shù)據(jù)包（64位至128位）通常以2.4kHz至20kHz之間的速率傳輸，RF調(diào)制采用幅度偏移鍵控（ASK）或開(kāi)關(guān)鍵控（OOK，即調(diào)制為0%或100%的ASK）的形式。這些調(diào)制方案最大限度地降低了密鑰卡的成本并延長(zhǎng)了電池壽命。

正如您可能懷疑的那樣，低價(jià)格和長(zhǎng)電池壽命非常重要。當(dāng)您考慮正在使用的系統(tǒng)數(shù)量（數(shù)千萬(wàn)）時(shí)，對(duì)低價(jià)格的需求是顯而易見(jiàn)的。最長(zhǎng)的電池壽命對(duì)于發(fā)射器和接收器都很重要。

對(duì)于遙控鑰匙發(fā)射器，較長(zhǎng)的電池壽命可最大限度地減少用戶(hù)更換電池的費(fèi)用。理想的發(fā)射器電池將持續(xù)車(chē)輛的使用壽命。這樣的電池在今天是可能的，但您可能不想將由此產(chǎn)生的大遙控鑰匙放在口袋或錢(qián)包中。小鑰匙扣更方便，但如果您必須每?jī)蓚€(gè)月更換一次電池，則不方便。今天的大多數(shù)產(chǎn)品都位于中間，提供合理的遙控鑰匙尺寸，電池壽命在 2 到 5 年之間。

接收器的電池壽命同樣重要。接收器電池必須始終打開(kāi)，以便用戶(hù)可以隨時(shí)發(fā)出命令。RKE接收器由車(chē)輛的電池供電（與用于啟動(dòng)車(chē)輛的電池相同）。如果接收器中的功耗過(guò)高，電池將沒(méi)有足夠的電量來(lái)啟動(dòng)車(chē)輛！

擔(dān)心這種可能性似乎很愚蠢。車(chē)輛電池巨大，典型的接收器僅消耗1mA至5mA電流。對(duì)于日常使用的車(chē)輛來(lái)說(shuō)，如此小的電流消耗不是問(wèn)題，但是如果您將車(chē)輛留在機(jī)場(chǎng)幾周或更長(zhǎng)時(shí)間，情況就會(huì)發(fā)生變化。

因此，汽車(chē)制造商相應(yīng)地調(diào)整了電池的尺寸。對(duì)于RKE系統(tǒng)，電池大?。ㄈ萘浚┡c接收器消耗的功率乘以供電天數(shù)的乘積成正比。因此，如果您的車(chē)輛存放時(shí)間超過(guò) 30 天，請(qǐng)預(yù)先警告。回到本文的標(biāo)題——超外差接收器中振蕩器的快速啟動(dòng)如何影響電池壽命？

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，我們使用一些中間值?；仡檾?shù)據(jù)包和傳輸速度的討論，假設(shè)數(shù)據(jù)包為100b，數(shù)據(jù)速率為10kHz（每個(gè)數(shù)據(jù)位0.1ms）。因此，100b 數(shù)據(jù)包在 10 毫秒內(nèi)傳輸。為了節(jié)省接收器的功率，我們通過(guò)僅短暫打開(kāi)來(lái)“時(shí)間切片”其操作 - 剛好足夠長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)確定是否存在有效的傳輸。這個(gè)“導(dǎo)通時(shí)間”值通常產(chǎn)生大約10%的占空比。

由于接收器是時(shí)間切片的，因此我們需要提供額外的傳輸，以確保接收器檢測(cè)到請(qǐng)求的操作之一。通常，遙控鑰匙傳輸再重復(fù)三次，總共四次傳輸。遙控鑰匙的總傳輸時(shí)間為 10ms 或 40ms 的四倍。要使接收器起作用，它必須完全解碼至少一個(gè)100b（10ms）傳輸。

為了捕獲至少一個(gè)完整的傳輸，我們必須輪詢(xún)接收器以確定是否存在有效數(shù)據(jù)。（接收器可以保持打開(kāi)狀態(tài)，但這會(huì)消耗電源。給定的 40ms 傳輸數(shù)據(jù)包可能不會(huì)重復(fù)，因此必須足夠頻繁地輪詢(xún)接收器，以捕獲至少一個(gè)完整的 10ms 傳輸。該要求規(guī)定接收器輪詢(xún)之間的最大時(shí)間為 30 毫秒。

但該間隔可能太少，導(dǎo)致命令丟失。系統(tǒng)時(shí)序可能有點(diǎn)偏差，或者可能存在干擾或其他噪音損壞數(shù)據(jù)。為了保守起見(jiàn)，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置為至少捕獲兩個(gè)完整的傳輸。因此，我們將接收器時(shí)間片電路設(shè)置為20ms。每 20 毫秒，接收器就會(huì)喚醒并嘗試解碼傳輸。如果存在有效數(shù)據(jù)，接收器對(duì)其進(jìn)行解碼;否則，它會(huì)再進(jìn)入睡眠狀態(tài) 20 毫秒。

為了檢測(cè)有效數(shù)據(jù)，接收器需要7位到8位的數(shù)據(jù)或0.75ms的時(shí)間來(lái)解碼信息。該條件決定了發(fā)射器是否以我們感興趣的頻率和格式發(fā)送數(shù)據(jù)。因此，接收器需要每0ms喚醒75.20ms左右。不幸的是，只有完美的接收器才能完成這一壯舉。

接收器需要時(shí)間才能喚醒。接收器中的大多數(shù)放大器可以在短時(shí)間內(nèi)喚醒并穩(wěn)定下來(lái)，但振蕩器則不能。它的壓電晶體是一種機(jī)電元件，需要時(shí)間開(kāi)始振蕩，并且需要更多時(shí)間才能穩(wěn)定在所需頻率。

請(qǐng)注意，某些接收器規(guī)格在這方面含糊不清。重要的規(guī)格是打開(kāi)接收器和使振蕩器頻率在范圍內(nèi)（穩(wěn)定）之間的時(shí)間間隔。其他規(guī)格（如有效 IF 輸出）具有誤導(dǎo)性。當(dāng)振蕩器開(kāi)始工作時(shí)，IF輸出有效。但是，接收器可能不會(huì)與發(fā)射器鎖定頻率。這種情況就像調(diào)諧到90MHz的收音機(jī)實(shí)際上接收92MHz。當(dāng)然，收音機(jī)正在工作，但它沒(méi)有收到您想要的東西。

普通的超外差接收器可以在2ms至5ms內(nèi)啟動(dòng)和穩(wěn)定。我們假設(shè)討論時(shí)間為 2.25 毫秒。為數(shù)據(jù)解碼增加 0.75ms，每 3ms 需要 20ms 的“導(dǎo)通時(shí)間”來(lái)檢測(cè)遙控鑰匙傳輸（圖 2）。另一方面，MAX1470、MAX1471和MAX1473超外差接收器包括一個(gè)快速啟動(dòng)振蕩器，通過(guò)保持晶體振動(dòng)來(lái)最大限度地縮短導(dǎo)通時(shí)間，從而將導(dǎo)通時(shí)間從正常的2.25ms縮短到0.25ms的快速導(dǎo)通時(shí)間。將0.25ms的導(dǎo)通時(shí)間與0.75ms的數(shù)據(jù)解碼時(shí)間相加，我們只需要每1ms檢測(cè)20ms即可檢測(cè)密鑰卡傳輸。因此，這些接收器通過(guò)在三分之一的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行相同的測(cè)量功能來(lái)節(jié)省功耗。

圖2.為了監(jiān)控遙控鑰匙傳輸，RKE接收器必須分配時(shí)間來(lái)喚醒、穩(wěn)定并解碼輸入信號(hào)。

大多數(shù)高性能超外差接收器（靈敏度良好的接收器）在工作時(shí)在5V時(shí)消耗5mA電流。MAX1470、MAX1471和MAX1473接收器提供最佳的接收器靈敏度，僅從5.3V電源電壓吸收3mA電流。在較低電源電壓下節(jié)省的功率是可觀的：普通超外差接收器需要25mW;MAX1470、MAX1471和MAX1473需要16.5mW。為每個(gè)20ms輪詢(xún)周期增加時(shí)間函數(shù)（圖3）會(huì)產(chǎn)生25mW的能量要求，×正常的超外差接收器為3ms = 75μJ，而MAX16、MAX5和MAX1×16ms = 5.1470μJ，則能量要求為1471.1473mW。因此，使用快速喚醒接收器節(jié)省的能源可以將電池壽命延長(zhǎng)四到五倍。

圖3.較短的喚醒時(shí)間可節(jié)省能源，降低電源電壓也是如此。

因此，對(duì)于給定的電池壽命規(guī)格，我們可以減小電池尺寸并節(jié)省資金，或者我們可以在相同的功率下更頻繁地采樣并減小發(fā)射器電池的尺寸。由于汽車(chē)電池的尺寸主要針對(duì)“起動(dòng)放大器”和備用容量，因此減小其尺寸可能不會(huì)帶來(lái)顯著的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。另一方面，減小變送器電池的尺寸具有優(yōu)勢(shì)，尤其是在新的胎壓監(jiān)測(cè)（TPM）系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)。

TPM變送器本質(zhì)上是放置在輪胎中的遙控鑰匙，通常在氣門(mén)桿中。它測(cè)量輪胎壓力和溫度并傳輸數(shù)據(jù)包，就像RKE遙控鑰匙一樣。但是，TPM 信息經(jīng)常傳輸（而不是響應(yīng)按鍵操作），因?yàn)槟Ｍ⒓礄z測(cè)膨脹問(wèn)題。為了檢測(cè)緩慢泄漏，該系統(tǒng)還會(huì)在車(chē)輛休息時(shí)監(jiān)控每個(gè)輪胎。

請(qǐng)注意，您不能在不甩開(kāi)車(chē)輪平衡的情況下將大電池放在氣門(mén)桿上。接收器電池也不容易更換，因此它的使用壽命應(yīng)該比遙控鑰匙電池長(zhǎng)得多。因此，低功率傳輸對(duì)于TPM至關(guān)重要。雖然RKE發(fā)射器的設(shè)計(jì)人員自然關(guān)注低功耗操作，但系統(tǒng)工程師知道接收器的改進(jìn)也會(huì)影響功耗。為此，如果不為超外差RKE接收器配備快速啟動(dòng)振蕩器，他可以做得更糟。

審核編輯：郭婷