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)此類應用要求采用電池供電(汽車鑰匙、車庫門遙控器、安全報警傳感器等)。

 

電池電壓隨著使用時間而下降，進而降低了大多數(shù)低端發(fā)送器的發(fā)射功率，因為許多近距離發(fā)送器為了獲得最佳效率而采用開關放大器，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，電池供電發(fā)送器的發(fā)射功率也下降到最初功率的35%。實際上，還會存在4dB至5dB的傳輸功率損耗。

 

本應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)。這種配置對電池壽命的影響不會超過15%。測試結(jié)果表明，電壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的交流電壓紋波不會降低幅移鍵控(ASK)數(shù)據(jù)鏈路的質(zhì)量，并且仍然滿足美國和歐盟關于近距離無線通信鏈路的無線輻射標準。

 

 

 

利用發(fā)送器和電壓轉(zhuǎn)換器的評估板(EV)構(gòu)建并測量恒功率發(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時的耗流10mA。測試時，工作頻率為433.92MHz，歐洲和美國均開發(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，通過內(nèi)部開關為電感充電，然后將能量傳遞至電容和負載電阻。MAX1947具有工廠預設的輸出電壓：1.8V、2.5V、3.0V和3.3V。測量中使用MAX1947ETA33 (3.3V輸出)。如果輸入電壓高于輸出電壓，MAX1947將自動連通電池電壓，無影響。

 

改造MAX1472EVKIT，更改其天線匹配網(wǎng)絡中的無源元件，利用3.3V電壓產(chǎn)生+10dBm發(fā)射功率。僅對MAX1947EVKIT進行一項簡單改造：用3.3V輸出IC代替評估板的標稱1.8V輸出IC。連接評估板，MAX1947的輸入電壓(代表電池電壓)由實驗室電源提供，串聯(lián)一個電流表。除電壓和電流測量外，利用示波器、功率計和頻譜分析儀采集數(shù)據(jù)。

 

除以上評估板組合外，使用另外兩個Maxim發(fā)射器評估板作為性能對比的參考：MAX1472標準評估板，2.7V供電時產(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SPI總線設置。

 

第一組試驗中，測量四組不同發(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系曲線，計算效率，并評估對電池壽命的影響。

 

第二組試驗中，MAX1472發(fā)送器從MAX1947消耗功率時，利用示波器記錄MAX1947輸出電源的紋波電壓。

 

第三組試驗中，在預期輸入(電池)電壓工作范圍內(nèi)，記錄MAX1472發(fā)送的RF信號頻譜。利用MAX7033EVKIT ASK接收器建立ASK無線通信鏈路，以確定電壓轉(zhuǎn)換器紋波對鏈路性能的影響。

 

 

對四種功率放大器(PA)進行比較，對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，供電電流會隨著電池電壓的變化而發(fā)生變化，通過計算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。

 

 

由于該配置為MAX1472EVKIT的標準配置，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，所以未對該配置進行測量。相應電池(電源)電壓下的性能參見表1。

 

表1. MAX1472的Tx功率、電流與電壓的關系，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)換器可解決這一問題。電池電壓從3.6V下降至2.1V (分別對應于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，新電池供電時發(fā)射功率過大；而當電池接近耗盡時，則存在發(fā)射功率不足的情況。

 

 

本項研究證明，可將升壓或boost轉(zhuǎn)換器與標準Maxim發(fā)送器相結(jié)合，實現(xiàn)+10dBm固定發(fā)射功率。所選擇的升壓轉(zhuǎn)換器為MAX1947，工廠預置3.3V輸出。所以，便攜設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3.3V，MAX1947則簡單地將電池電壓切換到輸出端。

 

 

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，以產(chǎn)生+10dBm發(fā)射信號。表1表明，標準配置產(chǎn)生的發(fā)射功率高達+12.2dBm，耗流過大。圖1所示為433MHz評估板在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，MAX1472的匹配網(wǎng)絡。

 

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系。

 

表2. MAX1472的Tx功率、電流損耗與電壓的關系，3.3V供電、+10dBm發(fā)射功率配置

 

表2表明，采用新的匹配網(wǎng)絡后，3.3V電壓下產(chǎn)生9.4dBm發(fā)射功率，略低于+10dBm目標值，但足夠用于電路分析?？蛇M一步調(diào)節(jié)匹配網(wǎng)絡元件值，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所示電路拓撲可達到這一目的。

 

注意，不同電源電壓下的耗流均低于2.7V匹配網(wǎng)絡下的耗流，此外，2.1V時的發(fā)射功率為+5.2dBm，2.7V配置網(wǎng)絡中發(fā)射功率為+7.4dBm。電池電壓從3.6V下降至2.1V時，發(fā)射功率下降5dB。

 

 

利用每個器件的評估板，可以很容易地對MAX1472和MAX1947組合進行功能測試。為識別信號名稱并說明連接，圖2給出了兩個評估板的原理圖，從連接圖片(圖3)可以看出兩個評估板的連接非常簡單。

 

圖2. MAX1472和MAX1947評估板原理圖。

 

圖3. MAX1472和MAX1947評估板的實驗室設置。

 

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)送器提供了一項額外好處：電池電壓的有效范圍從2.1V擴展至最低1.8V。

 

表3. MAX1472與MAX1947升壓轉(zhuǎn)換器相結(jié)合時，Tx功率、電流損耗與電壓的關系

 

 

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。通過設計合適的匹配網(wǎng)絡、選擇單功率設置，就有可能保持極小的發(fā)射功率變化或者沒有不變化。

 

有人可能會問，為什么使用另外一款Maxim發(fā)送器來實現(xiàn)恒功率發(fā)射？答案很簡單：因為MAX7060支持高級性能應用，例如頻率捷變、頻繁的功率調(diào)節(jié)，以及精確設置功率(+13dBm與+10dBm)。功能更強大的MAX7060與更簡單的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、更可靠的應用。這從另一方面表明，為MAX1472增加簡單的恒功率發(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系可以看出：在低發(fā)射功率變化與高電流損耗之間達到較好折中的參考點。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功率設置固定在最大功率以下2dB。該設置保證電池從2.4升至3.6V時，功率接近恒定(下降1dB以內(nèi))，電壓下降至2.1V時，額外損失1dB。

 

表4. MAX7060的Tx功率、電流損耗與電壓的關系，2.7V供電配置

 

 

圖4和圖5所示為上述4個表格中Tx功率、電流損耗的信息。顯而易見，在電源電壓范圍內(nèi)，MAX7060以及MAX1472和MAX1947組合的Tx功率變動最小。由于MAX1947可工作在1.8V，MAX1472和MAX1947數(shù)據(jù)擴展至最低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系。

 

圖5. 四種發(fā)送器配置下電流損耗與電池電壓的關系。

 

從圖5可以看出：為保證發(fā)射功率恒定，將會增大電流損耗。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，其耗流與MAX1472+MAX1947組合電路相同，因為MAX1947轉(zhuǎn)換器直接旁路電源電壓，僅需極小耗流。相關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(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“標準配置”發(fā)送器(2.7V下發(fā)射功率+10dBm的MAX1472)的負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。

 

 

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，容量減小至不足1000mAh。電池廠家按照行業(yè)標準使用模式曲線測試結(jié)果表示每一指標，如圖6所示。

 

圖6. Energizer E92 AAA電池的行業(yè)標準電池壽命測試數(shù)據(jù)。

 

采用這種電池電壓隨時間變化的關系曲線有兩個益處：首先，測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)字音頻測試的電流損耗為100mA，每天一個小時。一個小時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，水平軸上的一小時等效于100mAh容量(圖6和圖7)。所以，可將水平軸重新標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，消耗的容量大約為75mAh。電壓下降至1.0V時，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系，得到表5和表6，均相對于電池電壓的變化。

 

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。表格第二欄按照圖7分布將總電池容量1050mAh分為多個區(qū)間，每區(qū)間0.3V，電池電壓范圍從3.0V至1.8V。對于計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)，將小時數(shù)相加，即可計算每種發(fā)送器配置在其電壓范圍內(nèi)的電池壽命。計算結(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非常關鍵，對于每個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。以下給出三個例子，前兩個例子根據(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。最后一個例子取消最小發(fā)射功率限制，比較每種配置達到其最小工作電壓所需的小時數(shù)。

比較電池工作壽命之前，需要指出的是，這些例子中計算的電池工作小時數(shù)僅用于比較。由于這些數(shù)據(jù)來自表7，基于每天一小時、耗流100mA，遠遠低于這些配置在典型工作條件下的壽命?；谶@些發(fā)送器的產(chǎn)品，更切合實際的工作條件是工作電流10mA至15mA，每天30秒(例如遙控無鑰匙進入、車庫門遙控器和安全報警傳感器)，待機耗流大約為5μA。根據(jù)待機電流的不同，以下計算的工作小時數(shù)可能增大500至1000倍。

 

 

圖4所示發(fā)送器的功率曲線表明，表7所示的標準配置中，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以下時不能達到+10dBm發(fā)射功率。圖4也說明，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對表7加以整理，表明MAX1472+MAX1947組合的有效電池壽命為87小時，而MAX7060為31.75小時，獨立的MAX1472工作時間為9.85小時。

 

表8. +10 dBm最小Tx功率下的電池壽命比較

 

 

表9所示為最小發(fā)射功率允許降至+9dBm時的電池壽命比較。MAX1472直接連接至電池時，可工作在最低2.4V電壓，可將電池的有效工作時間延長至47.9小時。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。兩種配置都沒有達到MAX1472 + MAX1947組合的87小時。

 

表9. +9dBm最小Tx功率下的電池壽命比較

 

 

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，電池壽命最長可達102.77小時。而在其供電電壓下限時，其Tx功率下降至+8dBm以下。MAX1472 + MAX1947組合的電池壽命為87小時，為獨立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(約為MAX1472+MAX1947組合的77%)，因為器件設計用于較高Tx功率，實現(xiàn)恒定Tx功率的效率較低。

 

表10. 整個電池電壓范圍內(nèi)的電池壽命比較

 

這些測量結(jié)果表明，為簡單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))，相對于簡單的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)應用中的工作占空比非常低，器件的待機電流對電池壽命影響很顯著，所以，對電池壽命的影響更小。

 

 

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)生的交流紋波對發(fā)送信號質(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，將電感儲能傳遞給并聯(lián)的濾波電容負載。開關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。

 

下面測試紋波特性(VP-P和頻率)，確定其對發(fā)送信號的影響。

 

 

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(3.3V以上時，MAX1947只是接通輸入電壓)。示波器探頭連接至MAX1947EVKIT的OUT測試點，記錄不同電源(VBATT)設置下的紋波特性。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，負載為MAX1472發(fā)送器

 

輸入電壓增大時，紋波幅值從大約75mV升高至150mV；頻率從大約20kHz下降至5kHz。通過更改負載電容，可減小紋波幅值。圖8和圖9所示為1.8V和3.0V (對應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時的DC-DC輸出紋波電壓。

 

圖9. 3.0V轉(zhuǎn)換至3.3V時的DC-DC輸出紋波電壓。
 

發(fā)送器直流電源上的紋波對無線通信鏈路具有兩個潛在危害：第一，擴散發(fā)射頻譜；第二，紋波從電源耦合到接收器的ASK解調(diào)頻譜。

 

 

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50kHz處，可以觀察到紋波的影響，但不明顯。距離載頻超過100kHz時，對載波沒有影響，這一結(jié)論與紋波頻率和幅值一致。3.3V電源上存在100mVP-P紋波時似乎非常嚴重，但紋波的對應功率比載波功率低30dB，等效于在載波上疊加了微弱的AM信號。實際上，紋波的確增大了載波的噪聲頻譜，但相應的信號強度非常小，發(fā)生在接近載頻的頻率時，不會超出雜散輻射限制。最大增量發(fā)生在2.4V輸入電池電壓，此時，相對于3.3V以上電池電壓(沒有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 (無紋波、無頻譜影響)時，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。

 

 

通過兩種測量，可看出對ASK解調(diào)信號的影響。一種是頻譜分析儀的零掃描曲線，此時頻譜分析儀作為功率檢測器，在解調(diào)信號上看到小的紋波并不奇怪。另一種測量是MAX7033 ASK接收器評估板的解調(diào)信號。在實驗室建立MAX1472EVKIT與MAX7033EVKIT的簡單通信鏈路，評估板上均未安裝天線。評估板之間的相互耦合(極可能是輻射功率通過測試設備耦合)產(chǎn)生的信號恰好高于接收器靈敏度。解調(diào)2kHz方波信號經(jīng)過評估板的標準數(shù)據(jù)濾波器，示波器測試結(jié)果表明沒有紋波，因為數(shù)據(jù)濾波器將其抑制掉。圖12所示為頻譜分析儀測試的檢波信號的紋波，圖13所示為示波器測試的已濾波解調(diào)信號。

 

圖12. 頻譜分析儀接收到的MAX1472恒功率ASK信號。

 

圖13. MAX7033接收的MAX1472恒功率ASK信號。

 

這些測試表明，即使電源紋波最嚴重(100mVP-P)的情況下，也不會擴散或增大發(fā)射信號的頻譜，也不會降低接近靈敏度水平信號的接收性能。雖然不能在接近靈敏度水平處進行測量，但很顯然，適當?shù)臄?shù)據(jù)濾波有助于防止紋波造成對靈敏度的影響。

 

 

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，電池的有效工作時間比簡單發(fā)送器的電池壽命幾乎長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，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。而實際應用中，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無線通信鏈路變差，也不會超出FCC(美國)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，對大多數(shù)近距離無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。兩個器件的占位面積很小(3mm x 3mm)，將電壓轉(zhuǎn)換器增加到當前的發(fā)送器電路僅需增加3個外部元件?？蓪⑦@兩片功能器件組合至單片IC，進一步降低成本、面積和元件數(shù)量。 

 

本文來源于Maxim。