【導(dǎo)讀】電池供電的RF發(fā)射器(例如：車庫(kù)門遙控器和汽車遙控鑰匙等)的發(fā)射功率會(huì)隨著電池的使用時(shí)間而下降。本應(yīng)用筆記介紹的方案將高效升壓轉(zhuǎn)換器或boost與ISM發(fā)送器相結(jié)合，確保在整個(gè)電池電壓變化范圍內(nèi)保持恒定的發(fā)射功率(變化小于0.5dB)。性能測(cè)試表明，恒定發(fā)射功率方案的電池使用壽命是發(fā)射功率隨電池電壓變化方案的兩倍。電壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的交流電壓紋波不會(huì)降低幅移鍵控(ASK)數(shù)據(jù)鏈路的質(zhì)量，并且仍然滿足美國(guó)和歐盟關(guān)于近距離無(wú)線通信鏈路的無(wú)線輻射標(biāo)準(zhǔn)。
引言
近距離發(fā)送器廣泛用于ISM頻段，例如：歐洲的433.05MHz至434.79MHz、美國(guó)的260MHz至470MHz，以及亞洲部分地區(qū)的類似頻率范圍。大多數(shù)此類應(yīng)用要求采用電池供電(汽車鑰匙、車庫(kù)門遙控器、安全報(bào)警傳感器等)。
電池電壓隨著使用時(shí)間而下降，進(jìn)而降低了大多數(shù)低端發(fā)送器的發(fā)射功率，因?yàn)樵S多近距離發(fā)送器為了獲得最佳效率而采用開關(guān)放大器，例如《高效率﹑低成本ISM頻段發(fā)送器中的功放》)，而開關(guān)放大器的發(fā)射功率隨著供電電壓的下降而下降，近似與電源電壓的平方成正比。這意味著電池電壓在其壽命內(nèi)從3V降至1.8V時(shí)，電池供電發(fā)送器的發(fā)射功率也下降到最初功率的35%。實(shí)際上，還會(huì)存在4dB至5dB的傳輸功率損耗。
本應(yīng)用筆記介紹的方案將高效率升壓或boost轉(zhuǎn)換器(MAX1947)與ISM發(fā)送器(MAX1472)相結(jié)合，使得整個(gè)電池供電期間保持恒定的發(fā)射功率(變化小于0.5dB)。這種配置對(duì)電池壽命的影響不會(huì)超過(guò)15%。測(cè)試結(jié)果表明，電壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的交流電壓紋波不會(huì)降低幅移鍵控(ASK)數(shù)據(jù)鏈路的質(zhì)量，并且仍然滿足美國(guó)和歐盟關(guān)于近距離無(wú)線通信鏈路的無(wú)線輻射標(biāo)準(zhǔn)。
評(píng)估
評(píng)估目標(biāo)為：
- 確定發(fā)送器在增加電壓轉(zhuǎn)換器后是否能夠在電池電壓的典型工作范圍內(nèi)保持恒定的發(fā)射功率。
- 確定電壓轉(zhuǎn)換器對(duì)發(fā)送器系統(tǒng)的總體效率的影響。
- 測(cè)試恒功率發(fā)射與電池壽命之間的平衡。
- 測(cè)量電壓轉(zhuǎn)換器交流紋波對(duì)無(wú)線通信鏈路質(zhì)量的影響。
利用發(fā)送器和電壓轉(zhuǎn)換器的評(píng)估板(EV)構(gòu)建并測(cè)量恒功率發(fā)射器及其效率水平，所采用的發(fā)送器為MAX1472，工作在300MHz至450MHz頻率范圍。其供電電壓范圍為2.1V至3.6V，典型發(fā)射功率為10mW或+10dBm，電壓為2.7V時(shí)的耗流10mA。測(cè)試時(shí)，工作頻率為433.92MHz，歐洲和美國(guó)均開發(fā)該頻率。系統(tǒng)使用的電壓轉(zhuǎn)換器為MAX1947升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器，輸入(電池)電壓范圍為0.7V至3.6V。轉(zhuǎn)換器采用外部電感和電容，通過(guò)內(nèi)部開關(guān)為電感充電，然后將能量傳遞至電容和負(fù)載電阻。MAX1947具有工廠預(yù)設(shè)的輸出電壓：1.8V、2.5V、3.0V和3.3V。測(cè)量中使用MAX1947ETA33 (3.3V輸出)。如果輸入電壓高于輸出電壓，MAX1947將自動(dòng)連通電池電壓，無(wú)影響。
改造MAX1472EVKIT，更改其天線匹配網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)源元件，利用3.3V電壓產(chǎn)生+10dBm發(fā)射功率。僅對(duì)MAX1947EVKIT進(jìn)行一項(xiàng)簡(jiǎn)單改造：用3.3V輸出IC代替評(píng)估板的標(biāo)稱1.8V輸出IC。連接評(píng)估板，MAX1947的輸入電壓(代表電池電壓)由實(shí)驗(yàn)室電源提供，串聯(lián)一個(gè)電流表。除電壓和電流測(cè)量外，利用示波器、功率計(jì)和頻譜分析儀采集數(shù)據(jù)。
除以上評(píng)估板組合外，使用另外兩個(gè)Maxim發(fā)射器評(píng)估板作為性能對(duì)比的參考：MAX1472標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估板，2.7V供電時(shí)產(chǎn)生+10dBm發(fā)射功率；MAX7060EVKIT頻率、功率可調(diào)節(jié)發(fā)射器，其發(fā)射功率可通過(guò)SPI總線設(shè)置。
第一組試驗(yàn)中，測(cè)量四組不同發(fā)送器配置的電壓、電流和發(fā)射功率。繪制功率、電源電流與電壓之間的關(guān)系曲線，計(jì)算效率，并評(píng)估對(duì)電池壽命的影響。
第二組試驗(yàn)中，MAX1472發(fā)送器從MAX1947消耗功率時(shí)，利用示波器記錄MAX1947輸出電源的紋波電壓。
第三組試驗(yàn)中，在預(yù)期輸入(電池)電壓工作范圍內(nèi)，記錄MAX1472發(fā)送的RF信號(hào)頻譜。利用MAX7033EVKIT ASK接收器建立ASK無(wú)線通信鏈路，以確定電壓轉(zhuǎn)換器紋波對(duì)鏈路性能的影響。
結(jié)果匯總
發(fā)送器功率與電池電壓的關(guān)系
對(duì)四種功率放大器(PA)進(jìn)行比較，對(duì)比它們以最低電流損耗維持穩(wěn)定發(fā)射功率輸出的能力。電池放電時(shí)，供電電流會(huì)隨著電池電壓的變化而發(fā)生變化，通過(guò)計(jì)算100%占空比下典型電池(或一組電池)的工作壽命估算所配置的耗流。
配置條件：MAX1472配置為+10dBm Tx功率，2.7V供電。
由于該配置為MAX1472EVKIT的標(biāo)準(zhǔn)配置，典型數(shù)據(jù)已由MAX1472數(shù)據(jù)資料的典型工作特性(TOC)給出，所以未對(duì)該配置進(jìn)行測(cè)量。相應(yīng)電池(電源)電壓下的性能參見(jiàn)表1。
表1. MAX1472的Tx功率、電流與電壓的關(guān)系，2.7V下+10dBm發(fā)射功率
表1所示發(fā)射功率隨電池電壓變化，利用DC-DC轉(zhuǎn)換器可解決這一問(wèn)題。電池電壓從3.6V下降至2.1V (分別對(duì)應(yīng)于MAX1472供電電壓的最大值和最小值)，發(fā)射功率下降5.6dB。在供電電壓的中間值提供+10dBm Tx功率，所以，新電池供電時(shí)發(fā)射功率過(guò)大；而當(dāng)電池接近耗盡時(shí)，則存在發(fā)射功率不足的情況。
利用DC-DC轉(zhuǎn)換器保持恒定發(fā)射功率
本項(xiàng)研究證明，可將升壓或boost轉(zhuǎn)換器與標(biāo)準(zhǔn)Maxim發(fā)送器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)+10dBm固定發(fā)射功率。所選擇的升壓轉(zhuǎn)換器為MAX1947，工廠預(yù)置3.3V輸出。所以，便攜設(shè)備中最常用的兩種電池(CR2032紐扣電池、兩節(jié)AAA電池串聯(lián))的電壓將低于轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。如果電池電壓超過(guò)3.3V，MAX1947則簡(jiǎn)單地將電池電壓切換到輸出端。
MAX1472發(fā)射功率+10dBm，3.3V供電
由于加至MAX1472發(fā)送器的電源電壓為3.3V，必須更改MAX1472EVKIT的匹配網(wǎng)絡(luò)，以產(chǎn)生+10dBm發(fā)射信號(hào)。表1表明，標(biāo)準(zhǔn)配置產(chǎn)生的發(fā)射功率高達(dá)+12.2dBm，耗流過(guò)大。圖1所示為433MHz評(píng)估板在2.7V供電、+10dBm發(fā)射功率下的匹配元件值，以及更改后實(shí)現(xiàn)3.3V供電下+10dBm發(fā)射功率的元件值。
圖1. 2.7V和3.3V供電時(shí)，MAX1472的匹配網(wǎng)絡(luò)。
表2格式與表1相同，但顯示的是3.3V供電、+10dBm發(fā)射功率配置下的功率、電流損耗與電源電壓的關(guān)系。
表2. MAX1472的Tx功率、電流損耗與電壓的關(guān)系，3.3V供電、+10dBm發(fā)射功率配置
表2表明，采用新的匹配網(wǎng)絡(luò)后，3.3V電壓下產(chǎn)生9.4dBm發(fā)射功率，略低于+10dBm目標(biāo)值，但足夠用于電路分析?？蛇M(jìn)一步調(diào)節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)元件值，以增大發(fā)射功率，并更好地抑制434MHz載波的二次和三次諧波。為滿足歐盟輻射規(guī)范，至少需要46dB諧波抑制；正確選擇元件值，圖1所示電路拓?fù)淇蛇_(dá)到這一目的。
注意，不同電源電壓下的耗流均低于2.7V匹配網(wǎng)絡(luò)下的耗流，此外，2.1V時(shí)的發(fā)射功率為+5.2dBm，2.7V配置網(wǎng)絡(luò)中發(fā)射功率為+7.4dBm。電池電壓從3.6V下降至2.1V時(shí)，發(fā)射功率下降5dB。
MAX1472配置工作在3.3V，MAX1947升壓轉(zhuǎn)換器供電
利用每個(gè)器件的評(píng)估板，可以很容易地對(duì)MAX1472和MAX1947組合進(jìn)行功能測(cè)試。為識(shí)別信號(hào)名稱并說(shuō)明連接，圖2給出了兩個(gè)評(píng)估板的原理圖，從連接圖片(圖3)可以看出兩個(gè)評(píng)估板的連接非常簡(jiǎn)單。
圖2. MAX1472和MAX1947評(píng)估板原理圖。
圖3. MAX1472和MAX1947評(píng)估板的實(shí)驗(yàn)室設(shè)置。
MAX1947可以將低至0.7V的直流電壓提升到3.3V輸出。因此，表3中的數(shù)據(jù)從低達(dá)1.8V輸入電壓開始(這是常用電池配置的最低可用電壓)。這種配置為使用MAX1472發(fā)送器提供了一項(xiàng)額外好處：電池電壓的有效范圍從2.1V擴(kuò)展至最低1.8V。
表3. MAX1472與MAX1947升壓轉(zhuǎn)換器相結(jié)合時(shí)，Tx功率、電流損耗與電壓的關(guān)系
使用MAX7060實(shí)現(xiàn)恒定Tx功率
利用MAX7060，Maxim 300MHz至450MHz發(fā)送器用戶可將電源電壓范圍內(nèi)的發(fā)射功率保持在恒定值。MAX7060為可編程發(fā)送器，通過(guò)SPI或引腳更改發(fā)射頻率、發(fā)射功率，以及調(diào)制特性。通過(guò)設(shè)計(jì)合適的匹配網(wǎng)絡(luò)、選擇單功率設(shè)置，就有可能保持極小的發(fā)射功率變化或者沒(méi)有不變化。
有人可能會(huì)問(wèn)，為什么使用另外一款Maxim發(fā)送器來(lái)實(shí)現(xiàn)恒功率發(fā)射？答案很簡(jiǎn)單：因?yàn)镸AX7060支持高級(jí)性能應(yīng)用，例如頻率捷變、頻繁的功率調(diào)節(jié)，以及精確設(shè)置功率(+13dBm與+10dBm)。功能更強(qiáng)大的MAX7060與更簡(jiǎn)單的MAX1472之間的平衡是總耗流。MAX7060比MAX1472的功能更多、性能更好，但功耗更大。所以，MAX7060最好用于電源更密度更高、更可靠的應(yīng)用。這從另一方面表明，為MAX1472增加簡(jiǎn)單的恒功率發(fā)射電路非常重要。
從MAX7060的發(fā)射功率、電流損耗隨電池電壓的變化關(guān)系可以看出：在低發(fā)射功率變化與高電流損耗之間達(dá)到較好折中的參考點(diǎn)。四種放大器配置(MAX1472匹配于2.7V、MAX1472匹配于3.3V、MAX1472和MAX1947相配合，以及MAX7060)的測(cè)試給出了性能差異。
表4格式與表1、表2和表3相同。表中將MAX7060的發(fā)射功率、電流損耗作為電池電壓的函數(shù)列出。MAX7060的Tx功率設(shè)置固定在最大功率以下2dB。該設(shè)置保證電池從2.4升至3.6V時(shí)，功率接近恒定(下降1dB以內(nèi))，電壓下降至2.1V時(shí)，額外損失1dB。
表4. MAX7060的Tx功率、電流損耗與電壓的關(guān)系，2.7V供電配置
發(fā)射功率與負(fù)載電流變動(dòng)的比較
圖4和圖5所示為上述4個(gè)表格中Tx功率、電流損耗的信息。顯而易見(jiàn)，在電源電壓范圍內(nèi)，MAX7060以及MAX1472和MAX1947組合的Tx功率變動(dòng)最小。由于MAX1947可工作在1.8V，MAX1472和MAX1947數(shù)據(jù)擴(kuò)展至最低1.8V。
圖4. 四種發(fā)送器配置的發(fā)射功率與電池電壓的關(guān)系。
圖5. 四種發(fā)送器配置下電流損耗與電池電壓的關(guān)系。
從圖5可以看出：為保證發(fā)射功率恒定，將會(huì)增大電流損耗。MAX7060耗流最大，部分原因是器件的Tx功率較高。匹配在3.3V的MAX1472具有最低電流損耗(隨電池電壓變化)；3.3V或更高電壓時(shí)，其耗流與MAX1472+MAX1947組合電路相同，因?yàn)镸AX1947轉(zhuǎn)換器直接旁路電源電壓，僅需極小耗流。相關(guān)的電流損耗曲線是匹配在2.7V的MAX1472與MAX1472+MAX1947。兩種架構(gòu)在2.7V時(shí)(電池電壓范圍的中段)提供+10dBm的Tx功率，2.7V電源電流幾乎完全相同。但“標(biāo)準(zhǔn)配置”發(fā)送器(2.7V下發(fā)射功率+10dBm的MAX1472)的負(fù)載電流隨電池電壓的升高而增大，但恒定功率發(fā)送器(MAX1472+MAX1947組合)的負(fù)載電流隨電池電壓的升高而增大。這種結(jié)果意味著兩種方法的電池壽命接近。
電池壽命示例：采用兩節(jié)AAA電池供電時(shí)三種發(fā)送器配置的測(cè)試
以Energizer® E92 AAA堿性電池為例，結(jié)合上述發(fā)送器配置的電流損耗信息。目的是比較不同配置對(duì)電池壽命的影響。該AAA電池的容量在25mA穩(wěn)定電流下約為1200mAh，穩(wěn)定電流大于100mA時(shí)，容量減小至不足1000mAh。電池廠家按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)使用模式曲線測(cè)試結(jié)果表示每一指標(biāo)，如圖6所示。
圖6. Energizer E92 AAA電池的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電池壽命測(cè)試數(shù)據(jù)。
采用這種電池電壓隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線有兩個(gè)益處：首先，測(cè)試中的電流損耗均高于Maxim ISMRF發(fā)送器的典型工作電流(5mA至20mA)。雖然如此，Tape-Game數(shù)字音頻測(cè)試的電流損耗為100mA，每天一個(gè)小時(shí)。一個(gè)小時(shí)的大電流損耗折算到低占空比的電流損耗，每天的平均電流略高于4mA。電池電壓隨時(shí)間變化的曲線與穩(wěn)定的10mA耗流曲線基本相同。
另一好處是，水平軸上的一小時(shí)等效于100mAh容量(圖6和圖7)。所以，可將水平軸重新標(biāo)注為已使用的電池容量，為電池電壓的函數(shù)。例如，電池電壓從1.5V下降至1.4V時(shí)，消耗的容量大約為75mAh。電壓下降至1.0V時(shí)，消耗的容量大約為975mAh。
圖7. 已消耗電池容量與電壓電壓的關(guān)系曲線。
利用以上信息，結(jié)合圖5和表1至表4所示每種接收器配置下的電池電流與電池電壓的關(guān)系，得到表5和表6，均相對(duì)于電池電壓的變化。
表5. 按電壓范圍給出的可用電池容量，兩節(jié)AAA電池
表6. 按電壓范圍給出的發(fā)送器電流損耗，三種Tx配置
表5假設(shè)兩節(jié)AAA電池串聯(lián)，電壓范圍翻倍，維持相同的電池特性。表格第二欄按照?qǐng)D7分布將總電池容量1050mAh分為多個(gè)區(qū)間，每區(qū)間0.3V，電池電壓范圍從3.0V至1.8V。對(duì)于計(jì)算電池壽命非常重要的是最右側(cè)一欄中的遞增容量。表6耗流信息與表1、3和4相同，但每個(gè)電壓范圍的電流是該范圍內(nèi)高、低壓處電流的平均值。
現(xiàn)在，將每0.3V范圍的遞增電容容量除以該電壓范圍的耗流(mAh/mA = h = 小時(shí))，將小時(shí)數(shù)相加，即可計(jì)算每種發(fā)送器配置在其電壓范圍內(nèi)的電池壽命。計(jì)算結(jié)果如表7至10所示。
表7. 三種發(fā)送器配置的電池壽命比較
表7非常關(guān)鍵，對(duì)于每個(gè)300 mV的電池電壓區(qū)間，該表格將每種配置的耗流轉(zhuǎn)換為電池電壓下降到該區(qū)間時(shí)所能增加的電池工作壽命。該信息用于比較有效的電池壽命。以下給出三個(gè)例子，前兩個(gè)例子根據(jù)每種配置維持最小發(fā)射功率的能力定義有效電池范圍。最后一個(gè)例子取消最小發(fā)射功率限制，比較每種配置達(dá)到其最小工作電壓所需的小時(shí)數(shù)。
比較電池工作壽命之前，需要指出的是，這些例子中計(jì)算的電池工作小時(shí)數(shù)僅用于比較。由于這些數(shù)據(jù)來(lái)自表7，基于每天一小時(shí)、耗流100mA，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這些配置在典型工作條件下的壽命。基于這些發(fā)送器的產(chǎn)品，更切合實(shí)際的工作條件是工作電流10mA至15mA，每天30秒(例如遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入、車庫(kù)門遙控器和安全報(bào)警傳感器)，待機(jī)耗流大約為5μA。根據(jù)待機(jī)電流的不同，以下計(jì)算的工作小時(shí)數(shù)可能增大500至1000倍。
+10dBm (最小)發(fā)射功率下的電池壽命
圖4所示發(fā)送器的功率曲線表明，表7所示的標(biāo)準(zhǔn)配置中，MAX1472直接連接至電池，2.7V下發(fā)射功率為+10dBm，電池電壓下降至2.7V以下時(shí)不能達(dá)到+10dBm發(fā)射功率。圖4也說(shuō)明，MAX7060配置可維持+10dBm發(fā)射功率，直到電池電壓下降至2.4V以下。所以，表8對(duì)表7加以整理，表明MAX1472+MAX1947組合的有效電池壽命為87小時(shí)，而MAX7060為31.75小時(shí)，獨(dú)立的MAX1472工作時(shí)間為9.85小時(shí)。
表8. +10 dBm最小Tx功率下的電池壽命比較
+9dBm (最小)發(fā)射功率下的電池壽命
表9所示為最小發(fā)射功率允許降至+9dBm時(shí)的電池壽命比較。MAX1472直接連接至電池時(shí)，可工作在最低2.4V電壓，可將電池的有效工作時(shí)間延長(zhǎng)至47.9小時(shí)。MAX7060可工作在最低2.1V (即最小工作電壓)，將電池壽命提高至66.78小時(shí)。兩種配置都沒(méi)有達(dá)到MAX1472 + MAX1947組合的87小時(shí)。
表9. +9dBm最小Tx功率下的電池壽命比較
最低電源電壓下的電池壽命比較
表10表明，取消所有發(fā)射功率限制后，MAX1472直接連接至電池時(shí)，電池壽命最長(zhǎng)可達(dá)102.77小時(shí)。而在其供電電壓下限時(shí)，其Tx功率下降至+8dBm以下。MAX1472 + MAX1947組合的電池壽命為87小時(shí)，為獨(dú)立MAX1472架構(gòu)壽命的85%。MAX7060可維持至少+9dBm發(fā)送器功率，但電池壽命只有66.78小時(shí)(約為MAX1472+MAX1947組合的77%)，因?yàn)槠骷O(shè)計(jì)用于較高Tx功率，實(shí)現(xiàn)恒定Tx功率的效率較低。
表10. 整個(gè)電池電壓范圍內(nèi)的電池壽命比較
這些測(cè)量結(jié)果表明，為簡(jiǎn)單ISM發(fā)送器(例如MAX1472)增加升壓轉(zhuǎn)換器后，可在較寬的電池電壓范圍內(nèi)維持恒定的發(fā)射功率(0.5dB以內(nèi))，相對(duì)于簡(jiǎn)單的MAX1472發(fā)送器，電池壽命僅縮短15%，而后者在電池工作期間的Tx功率將下降4dB。由于這些發(fā)送器在大多數(shù)應(yīng)用中的工作占空比非常低，器件的待機(jī)電流對(duì)電池壽命影響很顯著，所以，對(duì)電池壽命的影響更小。
結(jié)果：電源紋波和ASK無(wú)線通信鏈路的質(zhì)量
到目前為止，我們只是分析了直流損耗與Tx功率之間的折中考慮。將高效(> 80%)升壓轉(zhuǎn)換器與嚴(yán)格匹配的發(fā)送器相結(jié)合，在電池有效工作范圍內(nèi)可產(chǎn)生恒定的發(fā)射功率，平均電流損耗略高，但這并不意外。電壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的交流紋波對(duì)發(fā)送信號(hào)質(zhì)量和ASK通信鏈路完整性的影響也同樣重要。
這里采用的DC-DC轉(zhuǎn)換器為升壓或boost轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器的外部電感從電池吸收電流，然后，將電感儲(chǔ)能傳遞給并聯(lián)的濾波電容負(fù)載。開關(guān)頻率和占空比取決于電感、電容和耗流。高效率(> 80%) DC-DC轉(zhuǎn)換器的種類繁多，與較低效率的線性穩(wěn)壓器相比，具有較高的交流紋波。
下面測(cè)試紋波特性(VP-P和頻率)，確定其對(duì)發(fā)送信號(hào)的影響。
3.3V發(fā)送器電源電壓紋波與輸入(電池)電壓的關(guān)系
將MAX1947ET33 (3.3V輸出電源電壓)連接至MAX1472EVKIT，如圖3所示。MAX1947的輸入電壓在1.8V至3.3V之間變動(dòng)(3.3V以上時(shí)，MAX1947只是接通輸入電壓)。示波器探頭連接至MAX1947EVKIT的OUT測(cè)試點(diǎn)，記錄不同電源(VBATT)設(shè)置下的紋波特性。表11所示為紋波的峰-峰值和周期，紋波為鋸齒波，是采用門限反饋的遲滯轉(zhuǎn)換器的特性，而非占空比控制轉(zhuǎn)換器。
表11. MAX1947輸出電壓的交流紋波特性，負(fù)載為MAX1472發(fā)送器
輸入電壓增大時(shí)，紋波幅值從大約75mV升高至150mV；頻率從大約20kHz下降至5kHz。通過(guò)更改負(fù)載電容，可減小紋波幅值。圖8和圖9所示為1.8V和3.0V (對(duì)應(yīng)于最高和最低升壓比)電池電壓下的紋波。
圖8. 1.8V轉(zhuǎn)換至3.3V時(shí)的DC-DC輸出紋波電壓。
圖9. 3.0V轉(zhuǎn)換至3.3V時(shí)的DC-DC輸出紋波電壓。
發(fā)送器直流電源上的紋波對(duì)無(wú)線通信鏈路具有兩個(gè)潛在危害：第一，擴(kuò)散發(fā)射頻譜；第二，紋波從電源耦合到接收器的ASK解調(diào)頻譜。
未調(diào)制載波的頻譜
利用頻譜分析儀觀察表11不同紋波條件下未調(diào)制載波的頻譜。距離載頻最遠(yuǎn)50kHz處，可以觀察到紋波的影響，但不明顯。距離載頻超過(guò)100kHz時(shí)，對(duì)載波沒(méi)有影響，這一結(jié)論與紋波頻率和幅值一致。3.3V電源上存在100mVP-P紋波時(shí)似乎非常嚴(yán)重，但紋波的對(duì)應(yīng)功率比載波功率低30dB，等效于在載波上疊加了微弱的AM信號(hào)。實(shí)際上，紋波的確增大了載波的噪聲頻譜，但相應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度非常小，發(fā)生在接近載頻的頻率時(shí)，不會(huì)超出雜散輻射限制。最大增量發(fā)生在2.4V輸入電池電壓，此時(shí)，相對(duì)于3.3V以上電池電壓(沒(méi)有DC-DC轉(zhuǎn)換器)，載頻±100kHz內(nèi)的噪聲譜增大6dB。圖10和圖11所示是電池電壓為2.4V (最差頻譜影響)和3.4V (無(wú)紋波、無(wú)頻譜影響)時(shí)，未調(diào)制載波的頻譜。
圖10. 發(fā)送的連續(xù)波頻譜，電池電壓 = 2.4V。
圖11. 發(fā)送的連續(xù)波頻譜，電池電壓 = 3.4V。
接收器中的ASK解調(diào)
通過(guò)兩種測(cè)量，可看出對(duì)ASK解調(diào)信號(hào)的影響。一種是頻譜分析儀的零掃描曲線，此時(shí)頻譜分析儀作為功率檢測(cè)器，在解調(diào)信號(hào)上看到小的紋波并不奇怪。另一種測(cè)量是MAX7033 ASK接收器評(píng)估板的解調(diào)信號(hào)。在實(shí)驗(yàn)室建立MAX1472EVKIT與MAX7033EVKIT的簡(jiǎn)單通信鏈路，評(píng)估板上均未安裝天線。評(píng)估板之間的相互耦合(極可能是輻射功率通過(guò)測(cè)試設(shè)備耦合)產(chǎn)生的信號(hào)恰好高于接收器靈敏度。解調(diào)2kHz方波信號(hào)經(jīng)過(guò)評(píng)估板的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)濾波器，示波器測(cè)試結(jié)果表明沒(méi)有紋波，因?yàn)閿?shù)據(jù)濾波器將其抑制掉。圖12所示為頻譜分析儀測(cè)試的檢波信號(hào)的紋波，圖13所示為示波器測(cè)試的已濾波解調(diào)信號(hào)。
圖12. 頻譜分析儀接收到的MAX1472恒功率ASK信號(hào)。
圖13. MAX7033接收的MAX1472恒功率ASK信號(hào)。
這些測(cè)試表明，即使電源紋波最嚴(yán)重(100mVP-P)的情況下，也不會(huì)擴(kuò)散或增大發(fā)射信號(hào)的頻譜，也不會(huì)降低接近靈敏度水平信號(hào)的接收性能。雖然不能在接近靈敏度水平處進(jìn)行測(cè)量，但很顯然，適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)濾波有助于防止紋波造成對(duì)靈敏度的影響。
結(jié)論和建議
MAX1472發(fā)送器和MAX1947升壓轉(zhuǎn)換器相組合能夠?qū)崿F(xiàn)在電池電壓供電范圍內(nèi)保持恒定的發(fā)射功率。如果要求最小發(fā)射功率為+10dBm，MAX1472和MAX1947組合后，電池的有效工作時(shí)間比簡(jiǎn)單發(fā)送器的電池壽命幾乎長(zhǎng)9倍。即使最小發(fā)送功率允許降至+9dBm，有效電池壽命也幾乎翻倍。
與簡(jiǎn)單發(fā)送器相比，這種組合的效率為大約85%，而前者發(fā)射功率在電池的有效工作電壓范圍內(nèi)下降4dB。顯而易見(jiàn)，就參數(shù)發(fā)射功率與直流功率之比而言，帶有升壓轉(zhuǎn)換器的發(fā)射效率是不帶轉(zhuǎn)換器效率的85%；就電池的工作壽命而言，與允許發(fā)射功率隨電池電壓變化的情況相比，恒功率發(fā)射的電池壽命降至85%。
如果發(fā)射功率在電池工作期間保持恒定非常重要，則最多損失15%的電池壽命。而實(shí)際應(yīng)用中，由于大多數(shù)便攜產(chǎn)品的發(fā)射器工作的占空比很低，待機(jī)電流將是影響電池壽命，由此，損失將小于15%。
交流紋波是高效電壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的附屬品，使發(fā)送器的輸出頻譜變差，但不足以造成ASK無(wú)線通信鏈路變差，也不會(huì)超出FCC(美國(guó))或ETSI(歐洲)的輻射限制。此外，可使用其它交流紋波幅值低得多的高效電壓轉(zhuǎn)換器，對(duì)大多數(shù)近距離無(wú)線通信鏈路的頻譜影響不明顯。
現(xiàn)在，可使用雙芯片方案，采用本文介紹的器件或類似器件。兩個(gè)器件的占位面積很小(3mm x 3mm)，將電壓轉(zhuǎn)換器增加到當(dāng)前的發(fā)送器電路僅需增加3個(gè)外部元件。可將這兩片功能器件組合至單片IC，進(jìn)一步降低成本、面積和元件數(shù)量。
本文來(lái)源于Maxim。
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