中心議題：
- 無(wú)線網(wǎng)卡輸入電源的設(shè)計(jì)
解決方案：
- 超級(jí)電容與降壓變換器不同方式下配合使用
- 采用輸出電流為2A的降壓變換器
- 采用輸出電流低于1A的降壓變換器
利用插接在便攜式筆記本電腦上的無(wú)線網(wǎng)卡連接互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。通常，無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)卡使用雙模的無(wú)線射頻模塊，如EDGE/WCDMA，GPRS/WCDMA，CDMA/WCDM等。這些網(wǎng)卡基于USB/PCMCIA/PCIE接口與筆記本電腦之間進(jìn)行高速雙向的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)筆記本電腦也要通過(guò)這些接口向無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)卡提供電源。CDMA/WCDMA在射頻模塊發(fā)射工作時(shí)不會(huì)有很大的脈動(dòng)負(fù)載，GSM、GPRS和EDGE平均工作電流很小，但在射頻模塊發(fā)射時(shí)，瞬態(tài)電流達(dá)到2A。但這些接口的電源管理輸出通常有最大電流限制，這對(duì)無(wú)線網(wǎng)卡輸入電源的設(shè)計(jì)提出了特定要求。
雙模射頻模塊和接口電源的特點(diǎn)
射頻模塊工作于CDMA/WCDMA時(shí)，發(fā)射的峰均比值即峰值功率與平均功率的比值小，負(fù)載脈動(dòng)小。射頻模塊工作于GSM、GPRS等模式時(shí)，發(fā)射的峰均比值大，瞬態(tài)峰值電流值很大，因此負(fù)載脈動(dòng)大。
GSM和GPRS的class 2和class 8的發(fā)射突發(fā)時(shí)間為577μS；GPRS和class 10的發(fā)射突發(fā)時(shí)間為1.15ms；GPRS的class 12的發(fā)射突發(fā)時(shí)間為2.3ms。GPRS的class 10和class 12通常要求電源在發(fā)射突發(fā)期間能提供2A峰值電流，平均電流大約為0.6A，在兩個(gè)峰值間抽取電流為0.1A。GPRS的class 10發(fā)射要求的脈沖寬度1.154ms，脈沖峰值電流最大值2A，占空比為25%，并在此期間能進(jìn)行全功率發(fā)射。GPRS的class 12發(fā)射要求的脈沖寬度2.308ms，脈沖峰值電流最大值2A，占空比為55%，在此期間也要能進(jìn)行全功率發(fā)射。很明顯，對(duì)于GPRS的class 10和class 12，峰值電流脈沖時(shí)間很長(zhǎng)，因此設(shè)計(jì)要求也更嚴(yán)格。
USB的接口電源電壓額定值為5V，而PCMCIA和PCIE的接口電源電壓額定值為3.3V，射頻模塊的電源電壓一般設(shè)定在3.75V。當(dāng)用USB的接口時(shí)需要降壓變換器從5V得到3.75V，當(dāng)用PCMCIA和PCIE的接口時(shí)需要升壓變換器從3.3V得到3.75V。本文將討論基于USB接口無(wú)線網(wǎng)卡供電電源的設(shè)計(jì)，基于PCMCIA和PCIE接口無(wú)線網(wǎng)卡供電電源的設(shè)計(jì)的基本原則與其類似。
USB接口輸出的電壓為5V，允許的范圍4.75V到5.25V，最大允許輸出電流為500mA。射頻模塊在發(fā)射突發(fā)期間需要2A的峰值電流，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于USB接口規(guī)定所允許的500mA的輸出電流。負(fù)載的所需要的穩(wěn)態(tài)電流主要用于基帶芯片和其它的一些數(shù)字邏輯芯片，若穩(wěn)態(tài)電流為Ibase，峰值電流為Ipeak，峰值電流占空比為D，則電源所要求的平均輸出電流Iave為：
Iave＝Ibase+D×Ipeak
對(duì)于GPRS的class 10，當(dāng)Ibase=0.05A，Ipeak=2A，D=25%時(shí)，電源所要平均輸出電流為0.55A。
電源方案設(shè)計(jì)
無(wú)線網(wǎng)卡的電源通常要用到超級(jí)電容，即電容值為幾個(gè)或幾十個(gè)mF的鉭電容。超級(jí)電容儲(chǔ)存很多能量，能負(fù)載傳輸很高的功率，并平滑電壓紋波。超級(jí)電容與降壓變換器有不同的配合使用方式，這就決定了其電源設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不同。
1.采用輸出電流為2A的降壓變換器
如果直接用降壓變換器全額輸出為射頻模塊供電，則要設(shè)計(jì)一個(gè)輸出電流為2A的降壓變換器(圖1a)。
圖1：(a)采用輸出電流為2A的降壓變換器的設(shè)計(jì)方案； (b)具有動(dòng)態(tài)輸入電流限制的設(shè)計(jì)方案。
輸出電流為2A的與降壓變換器可以在射頻模塊工作于發(fā)射突發(fā)期間提供足夠的電流，因此輸出電容COUT可以不用超級(jí)電容。但是，當(dāng)輸出電流為2A時(shí)，輸入電壓具有很大的紋波，輸入電壓的最低電壓必須大于降壓變換器的最小工作電壓Vcc(Min)，降壓變換器才能正常工作。為減小輸入電壓的下降，輸入端要采用超級(jí)電容，CIN值可用下式計(jì)算：
USB接口的電源線電容不能大于10uF，否則在上電的過(guò)程中電容充電相當(dāng)于瞬態(tài)短路。電容越大，短路時(shí)間越長(zhǎng)，大輸入浪涌電流持續(xù)的時(shí)間就越長(zhǎng)，這樣將導(dǎo)致USB口關(guān)斷，引起系統(tǒng)的關(guān)機(jī)或藍(lán)屏死機(jī)。因此，必須在USB輸出和降壓變換器間之間采用限流器，即負(fù)載開(kāi)關(guān)(如AOZ1300)。負(fù)載開(kāi)關(guān)的輸入(即USB輸出的電容CUSB)可以采用4.7~10uF電容，負(fù)載開(kāi)關(guān)的輸出(即降壓變換器輸入)采用超級(jí)電容。負(fù)載開(kāi)關(guān)提供USB輸出電流的限流保護(hù)，超級(jí)電容用于保證降壓變換器最小工作電壓。
這種方法由于使用2A的降壓變換器，而系統(tǒng)平均電流只有0.55A，所以降壓變換器處于嚴(yán)重的浪費(fèi)狀態(tài)，而且需要的功率電感和MOSFET的體積大、成本高。另外，在降壓變換器輸入端需要用較高額定電壓超級(jí)電容。因此，在體積受到限制的手持系統(tǒng)中，通常不采用這種方案。
2.采用輸出電流低于1A的降壓變換器
當(dāng)采用輸出電流為0.6A的降壓變換器時(shí)，由于輸出穩(wěn)態(tài)電流小，所以超級(jí)電容需要放在輸出端。當(dāng)射頻模塊工作于發(fā)射突發(fā)期間時(shí)，降壓變換器進(jìn)入過(guò)流保護(hù)，停止工作。超級(jí)電容放電維持射頻模塊發(fā)射所需要的全部能量。電路框圖同圖1a。超級(jí)電容值用下式計(jì)算：
其中，VOUT(Min)為額定輸出電壓的最小值，VRF(Min)為射頻模塊要求的最小工作電壓。請(qǐng)注意，連接在降壓變換器輸出端的超級(jí)電容可以采用較低額定電壓，但要求的容值大于每一種方案。
同樣，降壓變換器輸入電壓的最低電壓必須大于其最小工作電壓Vcc(Min)，因此CIN值可用下式計(jì)算：
由于穩(wěn)態(tài)的輸出功率低，CIN為22~100uF就足以滿足要求。USB的輸出電CUSB可用4.7~10uF電容。此外，對(duì)于降壓變換器，由于輸出電容大，起動(dòng)過(guò)程中存在持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的大浪涌電流，因此必須用較長(zhǎng)的軟起動(dòng)時(shí)間以減小浪涌電流，同時(shí)采用更低的折返頻率功能，防止占空比和電感磁通失控，從而電感飽和損壞芯片。
對(duì)于這種架構(gòu)，有時(shí)負(fù)載開(kāi)關(guān)會(huì)連接到降壓變換器輸出（圖2），然后射頻模塊連接到負(fù)載開(kāi)關(guān)，這樣降壓變換器就只能用較小的輸入電容。這將導(dǎo)致輸入電壓紋波大，尤其是其輸出瞬態(tài)過(guò)載時(shí)，輸入電壓的最低點(diǎn)可能低于其最小工作電壓Vcc(Min)，系統(tǒng)將關(guān)斷而復(fù)位重新起動(dòng)，因此也不建議采用這種方式。
負(fù)載開(kāi)關(guān)連接在降壓變換器的輸出端。
3.動(dòng)態(tài)輸入電流的限制
負(fù)載開(kāi)關(guān)(如AOZ1300)主要用于提供輸入限流保護(hù)，通常當(dāng)通過(guò)負(fù)載開(kāi)關(guān)的電流大于其設(shè)定的限流值時(shí)，負(fù)載開(kāi)關(guān)或者關(guān)斷輸出，或者采用恒流輸出。采用恒流輸出可以降低輸入的電壓紋波，但其工作于線性狀態(tài)，功率損耗大，系統(tǒng)的效率低。
如果在降壓變換器中采用恒壓和恒流切換控制，正常工作時(shí)采用恒壓模式，瞬態(tài)大電流時(shí)采用恒流模式，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)輸入電流限制，這樣恒流及限流也是工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此功率損耗小、系統(tǒng)的效率高。恒流及限流值ICL為：
圖1b所示電路需要用二個(gè)運(yùn)放，A1用于檢測(cè)輸入電流，A2用于隔離電壓和電壓反饋信號(hào)，以保證電壓和電壓反饋信號(hào)中只有其中的一個(gè)信號(hào)參與系統(tǒng)的反饋工作。二極管D防止運(yùn)放A2的輸出管腳出現(xiàn)灌入電流。請(qǐng)注意，在輸出瞬態(tài)過(guò)載時(shí)，降壓變換器工作于恒流及限流模式，但仍輸出電流。在輸出瞬態(tài)過(guò)載期間，降壓變換器仍可以提供一定比例的輸出電流給射頻模塊，因此所需的輸出超級(jí)電容值可以減小。若限流值為0.5A，則輸出超級(jí)電容值可以減小25%。
