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构建不连续传输无线网络的电源

关键词:传输无线网络电源 传感器

时间:2023-04-07 10:27:54      来源:网络

无线通信在过去五年中发展迅速,预计这种增长将继续下去。除了 GSM(移动系统)和 3G 移动通信系统之外,还出现了蓝牙、WiFi、WiMAX 和 ZigBee 等新的通信技术,它们均基于 IEEE 无线标准 802.xx 的各种版本。

无线通信在过去五年中发展迅速,预计这种增长将继续下去。除了 GSM(移动系统)和 3G 移动通信系统之外,还出现了蓝牙、WiFi、WiMAX 和 ZigBee 等新的通信技术,它们均基于 IEEE 无线标准 802.xx 的各种版本。

包含小型无线传感器和控制设备的控制和监控应用的数量大幅增加,而这些设备必须应对尺寸和功率的主要限制。 为了满足这些限制,芯片组供应商通过生产集成度更高的芯片来减小系统尺寸2 和功耗3 。

然而,在通常以不连续传输为特征的无线通信环境中,电源电路在恶劣的环境中运行,需要高输入到输出隔离和待机模式下的低静态电流。这种组合带来了设计困难,因为工作模式下的功耗远大于空闲模式下的功耗。由于隔离和低功耗之间的必要权衡,很少有模块可用于此目的。

为了解决这些问题,这里描述了一种用于无线设备的隔离式开关模式电源。它接受标称 12V 输入并提供隔离式 3.6V 输出,其静态电流消耗是的。设计为 EGSM(扩展 GSM)、WiFi 和 ZigBee 通信模块的电源,它还为恶劣环境中的机电执行器和电子传感器提供远程控制。

增加自主性 

由于无线设备电源的主要特性是电池寿命,因此主要设计目标是在保持射频系统性能的同时降低功耗。因此,当存在这些条件时,注意无线通信设备的自主性增加:

• 不连续的传输和接收。
• 电源电压的过滤或调节。
• 高效电源拓扑。

这些特性中的个取决于传输系统。第二个可以通过开关模式电源获得,第三个直接取决于 DC-DC 转换器本身的功耗。因此,您必须格外小心,以尽量减少空载条件下的电流消耗。因此,我们在推荐用于优化系统的设计技术时强调了第三点。

不连续传输和接收 

由于发射器和接收器在无线设备中消耗的功率多,因此许多此类设备采用不连续传输/接收来优化空中接口的资源和通信链路的效率。不连续操作也有助于降低功耗,因为无线电的有源元件不会持续开启。

另一方面,不连续传输会在电源中引入电压纹波和电流峰值。4 偏置电压水平直接影响收发器性能,电源电压下降会降低无线电性能,主要是在电压范围的极端情况下。这种降级可能导致难以满足用于无线设备的适用规范。如果系统由二次电池供电,则电池寿命周期和放电特性也对负载中的电流峰值敏感。

电源电压的滤波或调节 

电源电压可以使用高值电容器或 Jose Ignacio Garate 等人在论文中描述的其他技术进行滤波。5 电压由以线性或开关模式运行的 DC-DC 转换器调节。调节不仅对于减少电压纹波是必要的,而且对于减少 EMC 问题和保持无线电的性能也是必要的。

高效率电源拓扑 电源 

效率很重要,因此开关拓扑提供了电源选择。然而,表 1中列出的 DC-DC 转换器模块(这些模块是市售的典型模块)并不满足我们正在寻找的要求:空载条件下的超低功耗。

即使是非隔离式转换器在空载时也会消耗相对较高的电流。考虑到这些数据,我们因此将 DC-DC 转换器的空载电流设定为 12 mA 的目标。为实现该目标,我们区分待机电流和静态电流如下:

• 静态电流 是在空载条件下维持稳压电源电压所必需的电源电流。
• 待机电流 是系统未产生稳定输出电压时消耗的电源电流。
• 您可能需要添加电流隔离,以确保为设计用于在恶劣环境中运行的设备提供有效保护。

设计目标和问题

在设计便携式或无线设备的电源时,应考虑三个关键技术要求:极低的空载功耗、隔离、效率和尺寸。满足这些要求时出现的问题涉及正确的隔离配置、控制方法和反馈回路的拓扑结构

隔离 

输入和输出之间的隔离是通过变压器实现的,对于反相或反激式配置,能量存储在变压器的电感中。那么,问题是如何从次级向初级提供反馈。大多数系统为此目的使用额外的辅助绕组或光耦合器。然而,辅助绕组增加了复杂性,同时不能为低输出和可变负载提供足够的输出电压精度。

当系统处于调节状态时,光耦合器需要通过初级侧 LED 的恒定电流。为了优化系统,该电流已尽可能化,如图1 所示。

限值由光耦合器在低电流下的电流传输比 (CTR) 降低(10 mA 时为 63%,1 mA 时为 22%)和速度降低(20 mA 时为 2μs,5 mA 时为 6.6 μs)设定). 我们还必须添加另一个限制,即必须从误差比较器流经精密并联稳压器 TLV431 的电流 (I kmin = 100 μA)。

对于连接到分流稳压器输出(R131 和 R137)的电阻分压器,已选择高值电阻器以限度地减少电流消耗。您必须注意补偿可能由输入电流 (I ref = 0.5 μA) 和输入电容(这个问题可以使用电容分压器解决)引起的延迟。输出滤波电容(C47)较大,可能需要选择低ESR电解电容(如钽、Os-Con、有机铝)。如果是这样,它也必须是低泄漏类型,因为电流泄漏可能很大,尤其是在较高温度下。(对于 16V Kemet T495 100μF 电容器,I L 在 25°C 时等于 16μA,在 85°C 时等于 160μA。)

控制电路 

常见的电源控制方案是电流模式脉宽调制 (PWM),其中可变宽度脉冲控制电感器的充电电流。当负载很重时,所施加脉冲的宽度会增加以在电感中存储更多能量,如图2 所示。

在空载或轻载条件下,控制脉冲的宽度变窄以在电感器中存储更少的能量。对于低电流负载,电源以断续模式运行,主要电流消耗来自电源本身。

PWM 控制的主要优点是其固定的开关频率,这简化了控制 EMI 和优化重负载效率的电路设计。它的主要缺点是空载和轻载条件下的电流消耗,因为稳压器芯片中的振荡器具有固定频率(例如,轻载 UC3845 消耗 Icc = 17 mA)。图 3 显示了一个典型的 UC3845 配置,其中消耗的总电流是主控制器的电流加上电压和电流反馈网络的电流。

反馈回路的拓扑结构 

电压反馈是通过将电流从(光耦合器 U45 的)光电晶体管路由到 R135 产生的。R135 的值必须大以化功耗,但也必须足够小以提供光电晶体管运行所需的电流。

电流反馈是通过 R134 的压降获得的。为了限度地减少损耗,我们使用 R125 和 R133 来分压该电压和基准电压之间的压降(VREF = 5 V,引脚 8),从而在 ISENSE(引脚 3)上实现 1-V 平衡。这些连接通过降低 R135 中的压降来提高效率。分压电阻必须具有高阻值以限度地降低功耗,但您还必须注意由 C53 构成的 RC 滤波器不会影响电流信号。振荡器组件(R126 和 C46)的功耗是不可避免的,因为必须始终保持电压输出。

进一步降低电流的新方法

基于 Texas Instruments 的 UCC38C41 或 Maxim 的 MAX5021 PWM 控制器和 TI 的 TLV431C 或 Maxim 的 MAX8515A 精密基准的多种替代方案可以进一步降低转换器消耗的电流。选择相关组件以尽可能降低功耗。

误差比较器 

经典的 TL431 有时可以实现精密参考。该选项在这种情况下不可用,因为产生的电压(V A-Kmin = V REF = 2.5 V,加上 U45 LED 和 R124 中的压降)太接近所需的 3.6-V 输出。一种替代方案是 Maxim 的 MAX8515A 并联稳压器。它包括一个仅为 0.6 V 的电压基准,在 -40oC 至 +85°C 范围内具有 1% 的容差。该 IC 是电路必须提供较低输出电压的应用的选择,因为它没有上述限制(2.5 V 的“大”参考电压)。

此示例的另一个选项是 TLV431C 并联稳压器。多家制造商均有提供,它还满足 V REF = 1.24 V的要求,在 0°C 至 +70°C 范围内具有 1% 的容差。通过输出分压器的电流固定为 24 μA,以确保参考电流(0.5 μA,具有热漂移)不会对输出电压产生重大影响。此外,由于输入电容引起的信号延迟不足以保证更换电容分压器。

脉宽调制控制器

图 3中所示的经典 UC3845 消耗大约 17 mA(V FB 和 V SENSE = 0V),这对于该应用来说过大。一种可能的替代方案是 MAX5021 电流模式 PWM 控制器。它采用 SOT23-6 封装,是同类产品中的。它还具有的典型电流消耗 (1.2 mA),外加一个 260kHz 内部振荡器、0.6 V 的 V ISENSE 、来自光耦合器的直接输入,以及适合该应用的其他特性。然而,一个缺点是 10 V关闭/24 V开启的欠压锁定阈值,这使得它也不适合这种特定的 12V 输入应用。另一方面,其超低待机电流使其成为其他更高输入电压应用的。

要考虑的 IC 是 UCC38C41,它规定了 6.6 V off /7.0 V on的欠压锁定和 I CC = 2.3 mA 的典型电流消耗 。在电压加法器中,电流检测器消耗 100 μA(I CS = 2 μA),光耦合器的光电晶体管消耗 530 μA。为了允许该水平的光电晶体管电流,LED 必须消耗略高于 1 mA 的电流。如图 4所示,由此产生的电源尺寸小于 50 x 30 mm。它包括一个用于控制环路反馈的光耦合器和一个用于测量输入端电池电压的光耦合器。电源特性为:

• 功率 = 3.6 W。
• 输入电压范围:10 V 至 15 V。
• 标称 V输入 = 12 V。
• 隔离(需要电流隔离)。
• 降压反激拓扑。
• 电压和电流控制回路。
• PWM 控制方案。
• 开关频率:f C = 250 kHz。
• 输出电流 = 1 A。
• 稳压输出电压 = 3.6 V。
• 空载电流消耗= 5.7 mA。

测量和结果 

图3 原型电路包括几个具有不连续传输特性的无线模块,电流达到 3A 的峰值和大约 1A 的平均值。要减少电流峰值和相关的无线电问题,您应该使用 Jose Ignacio Garate 和其他人在两篇论文中描述的技术。4、5 强烈推荐高值和低 ESR 的电容器。

测量结果(表 2 和表 3)不包括共模输入滤波器或保护电路中的损耗。表 2 给出了空载条件下不同输入电压的电源输入和输出变量值。

达到的电流消耗为 5 mA。您可以将其降低至 3 mA,但实现 3 mA 所需的低值电阻器会导致控制环路变得不稳定。为防止自振荡并适应元件容差,通过将电流消耗设置为略高于 5mA 来引入安全余量。如表 3所示,在标称负载的正常条件下可达到效率。图 5 显示了不同输出电流的效率。

对于具有类似特性的市售隔离电源,我们发现空载电流消耗约为 20 mA。通过使用可获得 5 mA 静态电流的现成组件设计电路,我们已经超越了 12 mA 的目标。

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