超小型的太陽能供電GPS跟蹤設(shè)備的設(shè)計

GPS 技術(shù)正在越來越多地與低功耗模式結(jié)合在一起，也就是說，這些微型器件現(xiàn)在可由太陽能電池供電。 例如，由來自美國、澳大利亞、英國和中國的公司組成一個名為 Retrievor 的聯(lián)合體正通過眾包形式籌資來開發(fā)硬幣大小的 GPS 跟蹤設(shè)備。 小型自供電 GPS 系統(tǒng)利用 Android 或 Apple iOS 應(yīng)用提供位置信息，可用于跟蹤貴重物品，甚至是寵物。

Retrievor 設(shè)備的直徑為 28 mm （1.10“），厚 10 mm （0.39”） 并在模塊中集成天線，以減小自身體積。 該裝置采用 SiRFstarIV GPS 處理器，可用于各種挑戰(zhàn)性 GPS 環(huán)境，如室內(nèi)跟蹤，或者用于終端用戶移動的情況。 這一高水平 GPS 性能源自創(chuàng)新的 GPS 固件，能夠探測周圍環(huán)境變化、溫度、衛(wèi)星信號，并在任何可能的情況下更新內(nèi)部數(shù)據(jù)，進(jìn)而提供幾近連續(xù)的導(dǎo)航功能。

圖 1：硬幣大小的 Retrievor GPS 接收器。

Retrievor 接收器所需的電源來自集成式太陽能板和向 3.7 V 鋰離子電池供電的移動充電器，也可通過微型 USB 充電。 用戶定義的 ping 速率可在每秒至每天一次之間調(diào)節(jié)，因此 Retrievor 可能從來就不需要充電。

構(gòu)建 GPS 接收器

集合了 RF 和天線的高度緊湊型模塊可與能量收集變送器、電源管理器組合在一起，形成一個獨立于電源的同類小系統(tǒng)。 在認(rèn)真考慮了系統(tǒng)功耗預(yù)算后，太陽能電池（如 Sanyo 的產(chǎn)品）就能滿足所有的電源要求。 在這些小體積情況下，避免 RF 布局帶來的各種問題也至關(guān)重要，否則會增加功耗，致使能量收集源不足。

M10478 來自 Antenova，是一款高度集成的 GPS RF 天線模塊，適用于 L1 頻帶 GPS 和 A-GPS 系統(tǒng)。 該器件處采用與 Retrievor 接收器相同的 SiRFstarIV GPS 架構(gòu)外，還結(jié)合了 Antenova 高能效天線技術(shù)，旨在提供一個適于 GPS 接收的最佳輻射圖。

圖 2：M10478 GPS 模塊框圖。

所有前端和接收器元件均置于單一封裝的層壓基材模塊中，形成一個滿足最佳性能要求的完整 GPS 模塊。 M10478 采用單路 1.8 V 正電源，其功耗更低且具有能進(jìn)一步節(jié)能的多種低功耗模式，因此可由太陽能電池供電型 3.7 V 鋰離子電池為其供電。 精確的 0.5 ppm TCXO 保證了移動應(yīng)用具有很短的首次定位時間 （TTFF）；該模塊采用獨立的軟件支持，兼容 UART、SPI 和 I2C 主處理器接口。

涓流電源 （TP）

該模塊具有可降低功耗、實現(xiàn)量收集源的“涓流電源”工作模式。 該模塊可進(jìn)入占空比模式降低平均電流功耗，但仍保持高靈敏度、高性能，以確保其接收微弱信號。

正常條件下，該模塊在 TP 模式下一般滿功率工作 100 - 900 ms 并進(jìn)行一次定位，然后進(jìn)入持續(xù) 1 - 10 s 的較低功耗待機(jī)狀態(tài)。 有時（通常為每 1800 s），該模塊會重新進(jìn)入滿功率模式更新星歷數(shù)據(jù)。

在 TP 模式下時，如果信號條件惡劣（低于 30 dB-Hz），該模塊會自動切換至滿功率模式，以提升導(dǎo)航性能， 當(dāng)信號條件恢復(fù)正常時再次進(jìn)入 TP 模式。 這樣會形成多變省電狀態(tài)，但對于固定輸出速率來講，則可獲得更可靠的性能。 采用 TP 模式的應(yīng)用工作時與采用滿功率模式的應(yīng)用類似，但在強(qiáng)信號條件下會顯著降低功耗。

圖 3：Antenova 的 M10478 GPS 模塊內(nèi)置天線系統(tǒng)。

至于必須單獨添加天線的設(shè)計， SG 系列 GPS 接收器模塊（ Linx Technologies 產(chǎn)品）便是一款采用板載 LNA 和 SAW 濾波器的自保持式高性能 GPS 接收器。 該器件基于 SiRFstar III 芯片組，擁有高靈敏度和很低的功耗，有助于最大限度地延長能量收集應(yīng)用的運行時間。 SG 系列擁有超過 20 萬個有效相關(guān)器，即使在最低信號水平下也能在數(shù)秒之內(nèi)同步搜索并跟蹤多達(dá)二十顆衛(wèi)星。

該接收器采用兼容回流焊的緊湊型 SMD 封裝，無需進(jìn)行編程或者增加 RF 元件（天線除外）就能形成一個完整的 GPS 解決方案。 通過簡單的串行命令便可方便地配置五個 GPIO，再加上該模塊的標(biāo)準(zhǔn) NMEA 數(shù)據(jù)輸出，即使以前沒有任何 RF 或者 GPS 經(jīng)驗的工程師也能輕松進(jìn)行集成。 GPS 內(nèi)核能自動處理所有必要的初始化、跟蹤和計算任務(wù)，無需編程。 RF 部分針對低水平信號進(jìn)行了優(yōu)化，因此任何類型的器件在生產(chǎn)時也不需要調(diào)節(jié)。

默認(rèn)情況下，SG 系列滿功率模式工作，但也內(nèi)置了功率控制模式，這一模式在采用能量收集源時稱作自適應(yīng)涓流電源模式。

天線注意事項

SG 系列可采用各式各樣的外置天線。 該模塊提供調(diào)節(jié)式功率輸出，可簡化 GPS 天線的使用，但需要外部電源。 這給設(shè)計人員帶來極大的靈活性，但是為了確保獲得最佳性能，必須認(rèn)真選擇天線。

微型便攜式設(shè)備可用在各個變化方向上，因此，相比具有高增益以及相應(yīng)地波束更窄的天線元件，外形寬且統(tǒng)一的天線元件能獲得更好的總體性能。 相反，對于采用固定安裝方式且該方式可預(yù)見的天線，如果其外形和增益特性適合目標(biāo)應(yīng)用，則有助于發(fā)揮天線性能。 在實際解決方案中評估多個天線解決方案，是快速確定哪種天線最滿足應(yīng)用要求的好辦法。

用于 GPS 時，天線應(yīng)具有良好的右旋圓極化 （RHCP），以匹配 GPS 信號極化方式。 陶瓷片天線是最常見的天線類型，有著許多不同的形狀、大小和款式。 無源天線僅是一種調(diào)諧至正確頻率的天線，而有源天線則在天線前和模塊后增加了一個低噪聲放大器 （LNA），用于放大微弱的 GPS 衛(wèi)星信號，但功耗要超過能量收集源的供給，因為 VOUT 線路在 30 mA 時向該外部 LNA 提供 2.85 V 電壓。

在天線和模塊之間保持一條 50 Ω 的路徑極為關(guān)鍵，因為布局方面的誤差可能會顯著影響模塊性能。 雖然該模塊的設(shè)計使得集成工作簡單明了，但仍需特別注意 PCB 的布局，這點十分重要。 如果不能采用良好的布局技術(shù)，將會大大削弱模塊性能，導(dǎo)致芯片在對較低性能進(jìn)行補(bǔ)償時增大功耗。

布局的主要目的是在從天線到模塊的整條路徑上保持穩(wěn)定的 50 Ω 特征阻抗。 模塊應(yīng)盡可能與 PCB 上的其它元件合理隔離，尤其應(yīng)與晶體振蕩器、開關(guān)電源、高速總線等高頻電路隔離，使 RF 和數(shù)字電路位于 PCB 上的不同區(qū)域。

PCB 印制線不應(yīng)穿越模塊下方，這點很重要，否則在設(shè)計如此小的系統(tǒng)時會造成很大麻煩。 在模塊所處的 PCB 層上或該模塊下方不應(yīng)有任何銅線或者印制線，即保持裸板狀態(tài)。 模塊下方有印制線可能會造成與產(chǎn)品電路板上的印制線發(fā)生短路或者耦合。

將一塊大型連續(xù)接地層置于與模塊相對的下一層，以形成一個低阻抗返回路徑，用于接地以及保持穩(wěn)定一致的帶狀線性能。 印制線應(yīng)盡可能短，也不穿過模塊或任何其他元件下方將會有很大幫助，因為利用貫穿孔在多個 PCB 層上為天線印制線布線時會增加電感。 相反，應(yīng)利用多個貫穿孔應(yīng)將接地層和元件接地連在一起。

對于小型設(shè)計，通常會將產(chǎn)品密封，可以使用各種各樣具有不同電氣特性的灌封料。 因為此類灌封料能嚴(yán)重影響 RF 性能和產(chǎn)品的再加工或者保養(yǎng)能力，所以，設(shè)計人員應(yīng)謹(jǐn)慎選擇，找到合格的材料。

電源管理

當(dāng) RF 部分以及 GPS 主內(nèi)核掉電時，該模塊能從向 SRAM 存儲器和 RTC 供電的后備電池獲取電源。 這樣，該模塊就能在供電恢復(fù)前具有更快的 TTFF。 存儲器和時鐘電流消耗約 10 μA，因此采用太陽能電池作為電源是可行的。

這還意味著，小型鋰離子電池足以為這些功能部分提供電源。 這樣會大幅減少功耗，延長主電池使用壽命，同時在模塊電源恢復(fù)時快速進(jìn)行定位。 與能量收集有關(guān)的問題之一是，模塊需要一個潔凈、穩(wěn)壓性能良好、噪聲低于 20 mV 的電源，因為電源噪聲會嚴(yán)重影響接收器靈敏度。

例如 LTCR3108 器件（Linear Technology 產(chǎn)品），該器件屬于高度集成的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，并針對收集、管理來自極低輸入電壓源的多余電能進(jìn)行了優(yōu)化。 這樣，就能從用于硬幣大小 GPS 接收器的小型太陽能電池獲取電能，因為這種升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能在低至 20 mV 的輸入電壓下工作。

LTC3108 具有大小在 2 Ω 至 10 Ω 之間的最小輸入電阻（負(fù)載），具體由輸入電壓決定。 輸入電壓降低時輸入電阻增大，因此，LTC3108 利用幾個歐姆大小的源電阻就能對電源的功率傳輸進(jìn)行優(yōu)化。 帶載情況下提供較高的輸入電壓時，較低的源電阻始終能實現(xiàn)更大的輸出電流能力。

圖 4：LTC3108 能量收集電源管理器可管理連接太陽能電池的接口。

在成熟的架構(gòu)中增加一個唯一的 VOUT 選項即可實現(xiàn)這一功能。 該 2.2 V LDO 向外部處理器供電，而主輸出則經(jīng)過編程后用作四個固定電壓中的一個，向 GPS 接收器供電。

LTC3108 也能管理一個系統(tǒng)中多個輸出的充電和調(diào)節(jié)，其平均功耗很低，但在 GPS 接收器在位置輪詢時會產(chǎn)生較高的周期性負(fù)載電流。 電源管理器基于一個 MOSFET 開關(guān)，利用一個外部升壓變壓器、一個小型耦合電容器組成了諧振升壓振蕩器。 這樣，電源管理器就能將最低 20 mV 輸入電壓提升至一個足夠高的水平，以提供多路穩(wěn)壓輸出，向其它電路供電。 振蕩頻率由變壓器二次繞組的電感決定，且通常為 10 kHz 至 100 kHz。

可編程輸出

主輸出電壓 VOUT 由 VAUX 電源充電，用戶可通過電壓選擇引腳 VS1、VS2 對該電壓編程，使其成為四路穩(wěn)壓中的一路。 雖然 VS1 和 VS2 的閾值邏輯電壓的典型值為 0.85 V，但建議將其接地或者連接至 VAUX。

當(dāng)輸出電壓稍稍降至穩(wěn)壓值以下時，只要 VAUX 大于 2.5 V 就可產(chǎn)生充電電流。一旦 VOUT 達(dá)到合適的值，該充電電流即被切斷。 VOUT 由內(nèi)部可編程電阻驅(qū)動器設(shè)定，因此不需要阻值很大的外部電阻器，且這種外部電阻器易受板泄露和功耗的影響。

電源監(jiān)視

電源良好比較器也用于監(jiān)視電壓 VOUT。 這是一個開漏輸出，帶有可達(dá)到 LDO 電壓的弱上拉電阻 （1 MΩ）；該輸出會在 VOUT 充電至其穩(wěn)壓值的 7.5% 以內(nèi)時升高。 如果 VOUT 下降超過 9%，那么 PGOOD 將降低，以向微處理器發(fā)出信號；PGOOD 用于驅(qū)動芯片 I/O，而不是驅(qū)動如 LED 等較大電流負(fù)載。 PGOOD 信號也可用于當(dāng) VOUT 達(dá)到穩(wěn)壓值時，喚醒處于休眠狀態(tài)的微處理器或其它電路。

VOUT2 可由主機(jī)通過 VOUT2_EN 引腳接通和關(guān)斷。 當(dāng) VOUT2 被啟用時，會通過一個 1.3 Ω 的 P 溝道 MOSFET 開關(guān)連接至 VOUT。 這個由主處理器控制的輸出可用于向外部電路供電，如沒有低功耗休眠或關(guān)斷功能的傳感器、放大器。

把 VOUT2 上的去耦合電容降至最小，能使其更快速開關(guān)，進(jìn)而縮短猝發(fā)時間，故能在無線傳感器和發(fā)射機(jī)的脈沖應(yīng)用中實現(xiàn)更小的占空比。 小型 VOUT2 電容器也能在 VOUT2 每次啟用時將電容中充電過程中的電能浪費降至最少。 VOUT2 有一個約為 5 μs 的軟啟動時間，用以限制充電電流，并在 VOUT2 被啟用時最大限度地減小主輸出的毛刺。 此外，還有一個可將峰值電流降至 0.3 A（典型值）限流電路。 VOUT2 使能輸入的典型閾值為 1 V、滯后為 100 mV，因此能兼容邏輯電路。

GPS 專用芯片

另外一種選擇便是 GPS 專用芯片，而非模塊。 MAX2741 L1 波段 GPS 接收器 IC 的總電壓增益為 80 dB，級聯(lián)噪聲系數(shù)為 4.7 dB，能在針對室內(nèi)跟蹤解決方案且要求 -185 dBW 的各種應(yīng)用中達(dá)到接收器靈敏度。

這一雙路轉(zhuǎn)換接收器能將 1575.42 MHz GPS 信號首先降頻轉(zhuǎn)換至第一 37.38 MHz IF，然后轉(zhuǎn)換至第二 3.78 MHz IF。 采用集成式 2 位或 3 位 ADC（1 位 SING，1 位或 2 位 可選 MAG）對第二 IF 進(jìn)行采樣，并向基帶處理器輸出數(shù)字化信號。 集成式頻率合成器有助于靈活地進(jìn)行頻率分配，從而能針對 2 MHz 至 26 MHz 基準(zhǔn)頻率采用單板設(shè)計。 由于采用集成式基準(zhǔn)振動器，因此可在 TCXO 或晶體模式下工作。

圖 5：MAX2741 GPS 接收器 IC。

該接收器采用 2.7 V 至 3.0 V 電源，在激活狀態(tài)下電流消耗僅 30 mA，因此可采用能量收集源。 該器件采用 28 引腳 QFN 封裝，能在 3 V 電壓下以及此類小體積、高集成度接收器設(shè)計中在 -40°C 至 +85°C 溫度范圍內(nèi)工作。

結(jié)論

利用最新的 GPS 和電源管理 IC、模塊和天線設(shè)計，我們能開發(fā)出利用環(huán)境進(jìn)行自供電的超小型設(shè)備，并且這樣的機(jī)會將越來越多。 利用太陽能電池為鋰離子電池充電并由專門的電源管理器連接，能讓 GPS 接收器運用到更多的領(lǐng)域，帶來各種令人興奮的全新應(yīng)用。