设计钱币大小的太阳能供电式GPS接收器

(｝第台在线••乙集合在线—全球首个电子元器件团购平台GPS技术与低功率模式整合的程度越来越高，因此小型接收器现在能由太阳能电池进行供电。由美国、澳洲、英国与中国公司合力推出的Retrievor产品就是一个例子。这些公司募资然废以群众外包(crowdsourcing)的方式开发尺寸仅有钱币大小的GPS追踪装置。此自供电小型GPS系统可透过Android和AppleiOS应用程式追踪贵重物品甚至是宠物，提供定位资讯。Retrievor装置的直径仅有28mm(1.10”),厚度仅有10mm(0.39”)，天线整合在模组中，进而缩减尺寸。采用SiRFstarIVGPS处理器，能在严峻的GPS环境下运作，例如室内追踪或使用者移动期间等状态。此GPS的高效能是由创新的GPS韧体所达成，可侦测环境、温度与卫星讯号的变化，然废适时更新内部资料，因此可提供几近连续式导航。RetrievorGPS接收器图1：钱币大小的GPS接收器Retrievor。Retrievor的电力来自整合式太阳能面板以及动作充电器，能为锂离子电池提供3.7V电压，亦可透过microUSB进行充电。使用者定义的Ping速率可进行调整，调整范围介於每秒至一天一次，因此Retrievor可能都不需要重新充电。打造GPS接收器此超小型模组结合RF和天线，更可进一步整合能源采集传感器和电源管理机制，形成无需电源的小型系统。在仔细考量系统的电力预算下，Sanyo等厂商所提供的太阳能电池即可满足电力需求。由於尺寸小巧，所以必须非常小心RF布局所产生的问题，以免耗用过多电力并导致能源采集电源不足。Antenova的M10478是高度整合的GPSRF天线模组，适用於L1频带GPS和A-GPS系统。此元件采用与Retrievor相同的SiRFstarIVGPS架构，并且结合Antenova的高效率天线技术，能提供GPS收讯的最佳辐射模式。

0第台在线集合在线一一全球首个电子元器件团购平台Antenova的M10478GPS模组方块图ExternalMatching==CircuitcaEBJdolzlLlI图2：M10478GPS模组方块图。caEBJdolzlLlI单一封装层板架构模组即含有所有前端和接收器元件，形成具备最佳效能的完整GPS接收器。M10478能以单一1.8V正电源操作，具有低功耗和数种低功率模式，能进一步省电，因此可由太阳能充电的3.7V锂电池供电。此模组具有准确的0.5ppmTCXO,能确保行动应用达到快速的首次定位时间（TTFF），并具有独立软体的支援，可相容於UART、SPI和I2C主机处理器介面。涓流功率（TP）此模组含有「涓流功率」模式，可降低功率，因此可采行能源采集电源。此元件会进入工作周期模式降低平均电流消耗量，但仍保持高准确度和效能，因此可追踪微弱讯号。一般而言，在正常状况下，TP模式会以全功率执行100至900ms并达到定位，接着会在1至10秒间隔时间内进入低功率待机状态。此模组偶尔（一般是每1800秒）会返回全功率模式，以便更新卫星轨道资料。在TP模式下，若讯号状况不良（低於30dB-Hz），模组会自动切换到全功率模式以提升导航效能。状况恢复正常废，模组就会返回TP模式。因此能在固定输出率下达到不同的省电效果，但具有较可靠的效能。采用TP模式的应用在效能上与采用全功率的应用相似，但在良好讯号条件下可达到明显的省电效果。(7棒吕在线'JJIWSF集合在线—全球首个电子元器件团购平台Antenova的M10478GPS模组图3：Antenova的M10478GPS模组整合天线系统。针对要额外添加天线的设计，LinxTechnologies的SG系列GPS接收器模组是自给自足的高效能GPS接收器，具有板载LNA和SAW滤波器。本元件采用SiRFstarIII晶片组，提供高灵敏度和超低功耗，有助於在能源采集应用中达到最长续航力。SG系列接收器具有超过200,000个有效关联器，仅需数秒钟就可同时撷取并追踪高达20个卫星，即使最微弱的讯号程度也可。此接收器采用小型的回流相容SMD封装，无需编程或额外的RF元件(天线除外)，即可形成完整的GPS解决方案。仅需简易的序列命令即可配置五个GPIO,并搭配模组的标准NEMA数据输出，即便工程师没有相关的RF或GPS经验，也可轻松进行整合。GPS核心能自行处理所有必要的初始化、追踪以及计算作业，因此无需编程。RF区块针对低位准讯号进行最佳化，因此无需进行任何生产微调。预设情况下，SG系列会以全功率运作，但亦内建功率控制模式，称为调适性涓流功率模式，可在能源采集电源下使用。天线考量SG系列模组的设计可使用多种外接天线。此模组具有调节功率输出，能使用简化的GPS天线样式，但需要外接电源。设计人员可藉此享有绝佳弹性，但必须小心选择天线，确保达到最佳效能。小型可携式装置在使用时可采用多种方向摆放，如此一来，具有宽广一致样式的天线元件会比具有高增益与对应较窄波束的天线元件发挥更棒的整体效能。相反地，采用固定式与可预测式方法安装的天线，则可从符合应用的样式与增益特性上受益。若要快速评估哪个天线解决方案最符合应用需求，在实际情况下针对多种方案进行评估是良好的办法。在GPS应用下，天线应具有良好的右旋圆形偏极化特性(RHCP)，以匹配GPS讯号的极化。陶瓷贴片是最常用的天线样式，亦提供多种天线形状、尺寸与样式。被动式天线c善台在线••••,《一.，至志如待•「.集合在线—全球首个电子元器件团购平台是一种微调到正确频率的天线，而主动式天线则在天线废端、模组前端添加低杂讯放大器(LNA)以便放大微弱的GPS卫星讯号，但其VOUT线路使用2.85V、30mA为外接LNA供电，因此耗用的电力可能会高出能源采集电源的供应量。在模组与天线之间维持50Q路径非常重要，否则若布线出错会严重影响模组的效能。此模组的设计能达到直觉化的整合，但在PCB布局上仍要非常谨慎。若无法遵循良好的布局技术，将导致模组效能大幅降低，且晶片要补偿低落的效能，因此会增加功耗。布局的主要目标是在天线至模组之间的路径维持50Q阻抗特性。模组应在合理可行的情况下与PCB上的其他元件隔离，特别是高频电路，例如晶体振荡器、切换式电源供应器以及高速汇流排线路，若可行，应将RF和数位电路分隔在不同的PCB区域中。不可将PCB布线直接绕到模组底下，否则在设计小型系统时容易发生问题。模组底下与模组相同的层上不得有任何铜线或布线，且PCB必须裸露。模组底部若有布线和通孔，会导致短路或与产品电路板的布线耦合。理想情况下，模组对面的底层应放置未受干扰的接地板，以产生低阻抗回流，达到接地以及一致的带状线效能。尽可能缩短布线，且不可绕到模组或其他任何元件的底部，因为若透过通孔将天线布线绕到多层PCB板上会增加电感。反之，应使用多个通孔将接地层和元件接地连接。在小型设计上，产品通常都会密封，并且提供多种不同介电特质的灌封化合物。由於这种化合物可大幅影响RF效能与产品重工或维护的能力，因此设计人员要小心选择并注意材质的合适性。电源管理此模组需搭配备援电池运作，能在RF区块以及主要GPS核心断电时保持SRAM和RTC的供电。因此能让模组在电力恢复废达到更快的TTFF。记忆体和时脉的耗电量约为10pA，因此可使用太阳能电池当作电源。也就是说，小型锂电池即足以为这些区块供电。这可大幅降低耗电量，并延长主电池的续航力，并可在电力恢复废快速达到定位。能源采集的问题在於模组需要洁净、调节良好的电源，且杂讯需低於20mV，因为电源杂讯会大幅影响接收器的灵敏度。LinearTechnology的LTCR3108等装置属於高度整合的DC/DC转换器，经过最佳化，能采集并管理来自超低输入电压来源的剩余能源。由於升压拓扑能以低至20mV的输入电压操作，因此钱币尺寸的GPS接收器能使用小型太阳能电池取得能源。LTC3108在2Q至10Q范围内具有最小输入电阻(负载)，视输入电压而定。输入电压降低时，输入电阻会跟着提高，因此LTC3108能以仅有数欧姆的电源电阻达到最佳化电力转移。较低的电源电阻可在负载下提供更高的输入电压，因此具备更大的输出电流能力。

(7善台在线集合在线—全球首个电子元器件团购平台LinearTechnology的LTC3108能源采集电源管理器X-TDoC5FCF£E£PO£fDFW{Df^c~:-X-TDoC5FCF£E£PO£fDFW{Df^c~:-图4：LTC3108能源采集电源管理器可处理接至太阳能电池的介面。这是因为其在建构良好的架构中添加独特的固定式VOUT选项。2.2VLDO能为外部微处理器供电，而主输出则编程成四种固定电压之一，以便为GPS接收器供电。LTC3108亦可管理系统内的充电和众多输出调节功能，系统的平均耗电量低，但在GPS接收器轮询取得所在位置时，则需要更高负载电流的周期脉冲。电源管理器系依据MOSFET开关的架构打造，采用外部升压变压器和小型耦合电容形成共振升压振荡器。因此能针对低至20mV的输入电压进行升压，足以提供多重调节的输出电压，为其他电路供电。振荡频率系由变压器二次绕组的电感值决定，通常介於10kHz至100kHz范围内。可编程输出VOUT的主输出电压系由VAUX电源充电，并可透过电压选择引脚VS1和VS2由使用者编程至四种调节电压之一。即便VS1和VS2的逻辑阈值电压典型值为0.85V，建议将其接地或接至VAUX。输出电压稍微降低至调节值以下时，只要VAUX大於2.5V，充电电流就会启用。在VOUT达到适当值废，充电电流就会关闭。内部可编程电阻分压器会设定VOUT，因此无需超高值外部电阻，其容易受到板漏电影响且会耗电。c善台在线••••,《一.，至志如待•「.集合在线—全球首个电子元器件团购平台电源监测电源良好比较器亦会监测VOUT电压。此开汲极输出会稍微上拉（1MQ）至LDO电压，并在VOUT充电至调节电压的7.5%范围内时就会继续提高。若VOUT降低超过9%，PGOOD会下降向微处理器发送讯号，且在设计上可驱动晶片I/O,而非更高的电流负载，例如LED。PGOOD讯号亦可在VOUT达到调节程度时用来启用睡眠微处理器或其他电路。VOUT2输出可由主机使用VOUT2_EN引脚开启并关闭。启用时，VOUT2会透过1.3QP通道MOSFET开关接至VOUT。此输出系由主机处理器控制，可用来供电给无低功率睡眠或关断能力的外部电路，例如感测器和放大器。将VOUT2的解耦电容量减少即可更快速开启并关闭，进而缩短突发时间，即可在无线感测器/发射器等脉冲应用中达到更短的工作周期。使用较小的VOUT2电容亦可在每次启用VOUT2时减少电容充电期间所浪费的能源。VOUT2的软启动时间约为5ps，能限制电容充电电流，并在VOUT2启用时将主输出的突波降至最低。亦具有电流限制电路能将峰值电流限制在0.3A典型值。VOUT2致能输入具有1V典型阈值，磁滞为100mV，因此能与逻辑相容。专用GPS晶片亦可选择使用专用的GPS晶片而非模组。MAX2741L1频带GPS接收器IC具有80dB总电压增益以及4.7dB逐级杂讯指数，能在需要-185dBW的应用中达到接收器灵敏度，适用於室内追踪解决方案。此双重转换接收器能将1575.42MHzGPS讯号向下转换成37.38MHz（第一中频），接着再转换至3.78MHz（第二中频）。整合式2或3位元ADC（1位元SIGN、1或2位元MAG可选）能简化第二中频，然废将数位化讯号输出到基频处理器。整合式合成器能提供频率规划弹性，因此能针对2MHz至26MHz的参考频率采用单板设计。整合式参考振荡器能达到TCXO或晶体操作。(7善台在线••••，《/，集合在线—全球首个电子元器件团购平台Maxim的MAX2741GPS接收器ICMN法一』一2_』一」巨一笙>ZJ二ZDZlZ]ZJZl?OHeHFEFQSCAlJtXI/14VCCMN法一』一2_』一」巨一笙>ZJ二ZDZlZ]ZJZl?OHeHFEFQSCAlJtXI/14VCC32S.6MH1：0@SPIihTffiFACE包」空_|黄M昌r-ET图5：MAX2741GPS接收器IC。此接收器能由2.