很干，但實用——4G模組供電設(shè)計及其選型推薦

4G模組的外部電源供電設(shè)計十分重要，對系統(tǒng)穩(wěn)定、射頻性能都有直接影響。

怎么讓工程師朋友們在應(yīng)用開發(fā)中少走彎路呢？

我將以Air780E為例，陸續(xù)分享系列實用干貨。無論你是專家還是菜鳥，無論你是否使用的是4G模組，都值得一看。

今天繼續(xù)分享——供電設(shè)計及其選型推薦

常見的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景下，對Air780E的供電方式有：

• LDO供電方式

• DCDC供電方式

• 鋰電池供電以及充電方式

• 不可充電鋰亞/鋰錳電池供電方式

接下來，我們詳細講解四種方式及其選型推薦。

使用LDO電源芯片線性降壓的供電方案，原理簡單，電路、走線要求都相對較低，而且輸出電源干擾小，穩(wěn)定，對射頻、天線等影響較小。

但是由于4G-Cat.1系統(tǒng)的特色性，對LDO的選型要求較高。

一般LDO的電源參考設(shè)計如下：

對于LDO電源的設(shè)計與選型，有幾點注意事項：

1. 輸入電壓和輸出電壓壓差盡量小

由于LDO常用的是MOS半導通的降壓特性，輸入電壓和輸出電壓差會加在LDO兩端，會導致LDO承受耗散功率，造成發(fā)熱和能量損失。

而4G-Cat.1的工作特性，在射頻工作時，最大平均電流（FDD最大發(fā)射功率情況下）會達到600~700mA，使得LDO承受的耗散功率尤為嚴重。

為了最小化電壓差，建議LDO輸出電壓設(shè)置為接近4.2V，而輸入電壓建議不要超過5V，否則不建議采用LDO電源方案。

2. LDO器件封裝選擇

不少人選擇LDO器件，只看器件的最大輸出電流是否滿足模組的要求電流，這種做法是錯誤的。LDO選型最重要的參數(shù)是熱阻?JA，表示芯片內(nèi)部熱結(jié)點到周圍環(huán)境的熱阻。

通常芯片內(nèi)部的結(jié)溫的計算公式為：

其中：Tj為芯片結(jié)溫；R?JA為熱阻；TA為室溫；PD為LDO芯片的耗散功率；

對于芯片結(jié)溫Tj，通常規(guī)格書會給出當前芯片的最大允許的工作溫度，比如：

也就是，計算出來的LDO結(jié)溫度不能超過125°C。

而通常R?JA熱阻與LDO的封裝形式高度相關(guān)，具體可以查閱相關(guān)LDO芯片規(guī)格書。

例如：

從上圖規(guī)格書中我們可以得知SO-8封裝的熱阻為160°C/W，按照Air780E最大平均功率700mA，LDO壓差1V計算，室溫25°下：

SO-8封裝的LDO結(jié)溫為：

0.7x1x160+25 = 137 °C

高于規(guī)格書要求的125°C的最大工作結(jié)溫，所以SO-8的封裝不滿足4G-Cat.1應(yīng)用要求。

所以，通常推薦選擇封裝為TO-252、SOT-223等這些帶大面積散熱PAD的封裝。 同時在PCB布局的時候，要在空間允許的情況下，盡量增加散熱PAD的鋪銅面積以及盡量多的過孔導熱到PCB對面層增加散熱面積。

3. LDO布局遠離熱敏感器件

4G-Cat.1模組供電LDO由于是比較大的熱源，在熱敏感的功能區(qū)域要尤其注意要遠離。

比如：GPS、晶體振蕩器、熱敏感傳感器。

4. LDO的輸出電容的選擇

LDO輸出電容容值不是越大越好，不合適的容值會導致輸出震蕩。計算公式相對復(fù)雜，這里不再贅述，感興趣可以查閱反饋回路設(shè)計相關(guān)資料。

若實際使用中遇到LDO輸出震蕩問題，調(diào)整輸出電容即可，一般來說，只要按照LDO規(guī)格書推薦的輸出電容值就可以。注意靠近LDO輸出管腳放置。

5. 推薦的LDO選型

• MIC29302WU TO-263-5

• LM317D2T-TR TO-263-2

• LM317DCYR SOT-223-3

LDO選型不限于以上型號，可按實際需求參考選型。

DC to DC開關(guān)電源的供電方式，是4G-Cat.1模組常用的方式。 其輸出電流高，輸入電壓范圍廣，而且功耗相對LDO要低，發(fā)熱小，同時不需如LDO的大面積散熱覆銅。

但是比較致命的缺點是——容易對射頻部分和天線部分造成傳導或耦合干擾，從而影響模組的接受性能。不過這個問題，可以通過合理的DCDC電源設(shè)計以及PCB布局走線來優(yōu)化解決。

DCDC參考設(shè)計示例如下：

1. DCDC功能電路

接下來，以上圖杰華特的JW5359M開關(guān)電源舉例，講解各個部分的功能電路。

1）C1和C25構(gòu)成輸入電容：

其中C1大電容為可選，主要作用是放置于電源連接器附近，用于消除電源插拔時的尖峰電壓；C25 22uf要靠近開關(guān)電源的電源輸入管腳放置。C25電容選型除了耐壓要滿足輸入電壓要求外，還要選用低ESR的電容，建議用陶瓷MLCC電容。

2）C16為自舉電容：

用于在DCDC內(nèi)部下管關(guān)閉后能夠迅速將上管柵極的電壓提高至上管導通，在選型時要注意C16的耐壓要大于輸入電壓。

3）L2為功率電感：

電感的感值范圍可以由芯片規(guī)格書中公式進行計算得出，這里不做贅述。

功率電感的選型除了關(guān)注感值外還需注意下面的幾個參數(shù)：

4）飽和電流（Isat）：

也就是導致功率電感磁飽和時的最大電流。功率電感進入磁飽和后，此時電流的增大不再轉(zhuǎn)換為磁通量的增加，即立刻失去了電感的特性，導致短路大電流。

電感的飽和電流一定要大于DCDC輸出的最大峰值電流。

注意，最大峰值電流并不等于輸出電流。而是等于輸出電流加上最大紋波電流，最大紋波電流可以按照輸出電流的50%來估算。

比如DCDC的最大輸出電流為1A，則最大紋波電流為0.5A，于是最大峰值電流為1.5A，因此選擇功率電感的飽和電流要大于1.5A。

5）溫升電流（Irms）：

功率電感的飽和電流不是固定不變的，通常會隨著溫度的升高而飽和電流降低。通常Irms是指電感溫度在40度時的飽和電流。所以溫升電流（Irms）通常會小于額定的飽和電流（Isat）。所以在做電感選型時主要Irms也要高于DCDC的最大峰值電流。

6）等效直流阻抗（DCR）：

也就是功率電感的內(nèi)阻，主要影響電感的發(fā)熱，較大的內(nèi)阻會使得功率電感溫度更容易升高，從而降低功率電感的感值和飽和電流。

通常功率電感的內(nèi)阻通常與封裝大小直接相關(guān)，相同感值下封裝更大的電感往往內(nèi)阻較小。

7）反饋網(wǎng)絡(luò)（R21，R22，C19）：

R21，R22分壓構(gòu)成調(diào)整輸出電壓的反饋，這里不做過多闡述。

注意，C19作為前饋電容主要作用是加快DCDC系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)，能夠讓DCDC在系統(tǒng)負載突然變化時，能夠更快的響應(yīng)，使得輸出迅速穩(wěn)定。

通常前饋電容是可選的，但是對于4G-Cat.1系統(tǒng)來說，由于射頻脈沖式的工作形式，導致4G-Cat.1系統(tǒng)對供電的瞬態(tài)響應(yīng)要求高，因此前饋電容建議加上。前饋電容的值選擇建議對于DCDC芯片規(guī)格書推薦值，由于前饋電容會影響DCDC反饋環(huán)路的相位，不合適的值會影響環(huán)路穩(wěn)定性，從而引起震蕩。

8）C34輸出電容：

輸出電容比較重要，與功率電感一起，影響著DCDC的紋波電壓大小。輸出電容的計算方法在DCDC芯片規(guī)格書里描述得很詳細，不做贅述。

需要注意的是輸出電容要選擇ESR較小的MLCC陶瓷電容或者鉭電容，且靠近DCDC輸出放置。

2. DCDC開關(guān)電源的布局要求

DCDC開關(guān)電源的布局很重要，對4G-Cat.1射頻靈敏度有很大的影響。

典型的布局較差的DCDC輸出波形如下：

上圖波形能看到兩種周期性的波形：呈現(xiàn)三角形，幅度相對較小的電源紋波；和尖峰脈沖幅值較大的地彈噪聲。

這里涉及電源紋波和地彈噪聲兩個概念：

1）電源紋波：

是由開關(guān)電源的開關(guān)特性和功率電感輸出電容充放電共同作用的結(jié)果，只要紋波電壓幅值不大，基本不會對系統(tǒng)產(chǎn)生影響。如上圖紋波電壓峰峰值在20mv左右，相對較小屬于正常范圍。

調(diào)節(jié)功率電感值和輸出電容值以及開關(guān)頻率，均可以優(yōu)化紋波電壓。

2）地彈噪聲：

由于脈沖時間短頻率高而且幅值較大，其高頻分量通過電源傳到到射頻部分很容易對射頻造成干擾，造成靈敏度惡化。

所以，地彈噪聲是我們要消除的最大敵人。

地彈噪聲產(chǎn)生的原因——是由于DCDC開關(guān)電源在工作時，上管和下管分別交替打開，電流環(huán)路變化而造成的磁通量變換，從而在電流環(huán)路上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，也就是尖峰電壓。

如下圖，所以觀察上圖波形，可以看到地彈噪聲都是出現(xiàn)在上下管切換的時刻。所以，地彈噪聲想要通過調(diào)節(jié)電容和電感值去優(yōu)化噪聲是不可達到的。

輸入電容和輸出電容與DCDC芯片共同構(gòu)成電流回路，也就是兩者回路面積越大，產(chǎn)生的磁通量變化越大，也就是產(chǎn)生地彈噪聲越大。

因此想要盡可能的最小化噪聲，就要在輸出電容和輸入電容的辦法上做文章。

3. DCDC電源布局示例：

上圖輸入電容和輸出電容直接放置在輸入輸出管腳的近端，同時電容地管腳直接就近連接到芯片的地管腳，從而整個輸入輸出電流環(huán)路面積最小。

4. DCDC布局建議：

• 優(yōu)先布局輸入輸出電容，首先將輸入輸出電容靠近芯片放置，再考慮其他部分的布局。

• 輸入輸出電容的地管腳和DCDC芯片地管腳直接的回路連接，要盡量在表層連接，最好有一定寬度的覆銅。不建議通過過孔通過其他層連接，效果較差。

• 芯片SW管腳與電感連接的走線盡量短，以減小對外的輻射。

• 其他的一些通用的設(shè)計規(guī)則不再贅述。

總之，由于地彈噪聲一旦發(fā)生，在已經(jīng)成型的PCB上就很難通過常規(guī)的硬件整改來定位問題和改善。因此，在設(shè)計的時候就要特別關(guān)注DCDC開關(guān)電路的布局和走線。

通過直接用鋰電池給模組供電的方式適合運用在 便攜式物聯(lián)網(wǎng)的場景， 鋰電池供電讓身邊正常工作，充電進行補能。

鋰電池的放電特性具有較高的瞬態(tài)放電能力而且內(nèi)阻較低，對于4G-Cat.1系統(tǒng)是比較理想的供電方式，而且Air780E模組的供電電壓范圍3.3V~4.3V是完全按照鋰電池的放電特性來設(shè)計。

1. 電池直接給模組供電的參考設(shè)計：

C49 220uF是補能電容：

由于鋰電池的低內(nèi)阻和高放電能力，加上本身應(yīng)用于便攜式產(chǎn)品，空間尺寸優(yōu)先。因此本不需要較大的電容，但是考慮到實際PCB電源走線長度以及電池連接器接觸阻抗和電池引線長度等會引入額外的不確定的阻抗，因此會建議酌情加上220uf電容，建議選用低ESR的鉭電容。

C50 C51 C52 構(gòu)成旁路電容濾波組：

不同容值的電容會有不同的協(xié)振動點，組合起來能夠增加濾波的高頻帶寬，比單一濾波電容有低的高頻阻抗。

TVS1作為電源端的ESD保護器件：

建議在設(shè)計時要加上，會顯著降低售后不良率。

TVS1參考選型：

PTVSHC3D4V5BH 芯導：

GESDBL4V5Y1 格瑞寶。

2. 充電電路：

對于鋰電池的充電有兩種方式： 線性充電和開關(guān)充電。 它們的工作原理類似于LDO和DCDC開關(guān)電源的原理。

• 對于500mA以下的充電電流優(yōu)選線性充電的方式，成本低，電路簡單，干擾較??；

• 對于1A以上的充電電流優(yōu)先選擇開關(guān)充電的充電方式；

• 在500mA~1A之前，根據(jù)產(chǎn)品的空間尺寸，散熱情況選擇合適的充電方式。

下圖以線性充電方式為例介紹具體參考設(shè)計：

• D2和C18構(gòu)成輸入電源端的保護網(wǎng)絡(luò)，靠近輸入端放置。若是5V USB進行充電的話，C1容值不宜太大，否則容易觸發(fā)電腦USB的供電短路保護。如果是直流電源供電，C18建議采用100UF以上的電解電容，電源浪涌保護。

• 充電芯片CHRG管腳為充電指示管腳，通常為開漏輸出，需要VBUS輸入電源上拉，同時可以通過二極管做隔離同時連接到主控MCU GPIO管腳做充電狀態(tài)判斷，如果采用Air780E做主控的open 二次開發(fā)方式，需要連接到帶有中斷的GPIO。

• 充電芯片PROG管腳用于配置恒壓充電下的充電電流，由R5電阻的阻值進行設(shè)置，具體參考實際的芯片規(guī)格書。建議加上Q4 NPN作為充電控制管腳，可以通過MCU或者Air780E GPIO進行控制，注意Q4的口控制管腳要用VBUS上拉，同時分壓到IO電平對應(yīng)的電壓，達到充電芯片默認開啟狀態(tài)。

• 部分鋰電池會有溫度NTC管腳，用來檢測電池電壓，這里可以用VDD_EXT做分壓，通過ADC檢測電池溫度，方便做電池安全檢測。注意R30的值要根據(jù)具體的電池NTC電阻規(guī)格來計算，建議分壓后的值落在0~1.2V的ADC有效量程之中。

3. 充電路徑管理：

由于鋰電池的充電特性，在頻繁充放電的情況下會導致鋰電池壽命下降，因此 在外電長供電的應(yīng)用場景下 （比如4G網(wǎng)絡(luò)攝像頭、無線固話、常供電的電瓶車定位器等），建議做充電路徑管理。

即：當外電供電時會切斷電池與模組的供電連接，直接用外部電源給模組供電。

特別注意：

下圖線性充電參考設(shè)計的TP4056就沒有路徑管理功能，這種情況下，不能在電池不在的情況下用充電口直接給模組供電。

在需要超長待機（以年計算），且不可拆卸的場景（例如：表計類應(yīng)用)，這類應(yīng)用往往需要待機甚至長至10年。普通的可充電鋰聚合物電池由于自放電率高的問題，無法適用于超長待機的場景——這時，就需要用到不可充電的鋰亞/鋰錳電池。

1. 鋰亞硫酰氯(Li/SOCl2)電池 ：

能量最高的一種電池，不可充電，比能量可達590W·h/kg和1100（瓦時每立方分米）。鋰亞電池在其90%以上的容量上都能保持3.6V左右的放電電壓，在功率型鋰亞電池瞬時放電能力達到大于1A。

電特性及放低曲線如下圖示：

鋰亞硫酰氯(Li/SOCl2)電池能夠滿足4G-Cat.1通信模塊的供電要求，所以對于使用功率型鋰亞電池的場景，只需直接給Air780E模塊供電即可，無需做升壓設(shè)計。

2. 鋰二氧化錳電池：

能量密度對比鋰亞電池要小一些，但是由于其成本低的特點，被廣泛應(yīng)用。鋰錳電池工作電壓在2.5V~3.0V左右，瞬時放電能力在1A左右。

由于工作電壓較低，因此需要外接升壓電路才能給4G-Cat.1通信模塊供電。

對于升壓方案的選擇，低靜態(tài)功耗是核心，才能滿足超長待機的應(yīng)用要求。

這里推薦TI的TPS610995升壓芯片（固定3.6V輸出版本）。TPS61099x器件是一款具有1μA超低靜態(tài)電流的同步升壓轉(zhuǎn)換器。該器件專為由堿性電池、鎳氫充電電池、鋰錳電池或鋰離子充電電池供電的產(chǎn)品而設(shè)計，能夠在輕載條件下高效運行，這對延長電池使用壽命至關(guān)重要。

參考設(shè)計如下：

注意：TPS610995要選擇固定升壓版本，可以省掉外部的反饋分壓電阻，能夠最小化反饋分壓上的靜態(tài)電流。

對于布局layout注意事項，同樣要遵循輸入輸出電容的最小路徑原則。

參考布局如下：