超小型的太阳能供电GPS跟踪设备的设计

GPS 技术正在越来越多地与低功耗模式结合在一起，也就是说，这些微型器件现在可由太阳能电池供电。 例如，由来自美国、澳大利亚、英国和中国的公司组成一个名为 Retrievor 的联合体正通过众包形式筹资来开发硬币大小的 GPS 跟踪设备。 小型自供电 GPS 系统利用 Android 或 Apple iOS 应用提供位置信息，可用于跟踪贵重物品，甚至是宠物。

Retrievor 设备的直径为 28 mm （1.10“），厚 10 mm （0.39”） 并在模块中集成天线，以减小自身体积。 该装置采用 SiRFstarIV GPS 处理器，可用于各种挑战性 GPS 环境，如室内跟踪，或者用于终端用户移动的情况。 这一高水平 GPS 性能源自创新的 GPS 固件，能够探测周围环境变化、温度、卫星信号，并在任何可能的情况下更新内部数据，进而提供几近连续的导航功能。

图 1：硬币大小的 Retrievor GPS 接收器。

Retrievor 接收器所需的电源来自集成式太阳能板和向 3.7 V 锂离子电池供电的移动充电器，也可通过微型 USB 充电。 用户定义的 ping 速率可在每秒至每天一次之间调节，因此 Retrievor 可能从来就不需要充电。

构建 GPS 接收器

集合了 RF 和天线的高度紧凑型模块可与能量收集变送器、电源管理器组合在一起，形成一个独立于电源的同类小系统。 在认真考虑了系统功耗预算后，太阳能电池（如 Sanyo 的产品）就能满足所有的电源要求。 在这些小体积情况下，避免 RF 布局带来的各种问题也至关重要，否则会增加功耗，致使能量收集源不足。

M10478 来自 Antenova，是一款高度集成的 GPS RF 天线模块，适用于 L1 频带 GPS 和 A-GPS 系统。 该器件处采用与 Retrievor 接收器相同的 SiRFstarIV GPS 架构外，还结合了 Antenova 高能效天线技术，旨在提供一个适于 GPS 接收的最佳辐射图。

图 2：M10478 GPS 模块框图。

所有前端和接收器元件均置于单一封装的层压基材模块中，形成一个满足最佳性能要求的完整 GPS 模块。 M10478 采用单路 1.8 V 正电源，其功耗更低且具有能进一步节能的多种低功耗模式，因此可由太阳能电池供电型 3.7 V 锂离子电池为其供电。 精确的 0.5 ppm TCXO 保证了移动应用具有很短的首次定位时间 （TTFF）；该模块采用独立的软件支持，兼容 UART、SPI 和 I²C 主处理器接口。

涓流电源 （TP）

该模块具有可降低功耗、实现量收集源的“涓流电源”工作模式。 该模块可进入占空比模式降低平均电流功耗，但仍保持高灵敏度、高性能，以确保其接收微弱信号。

正常条件下，该模块在 TP 模式下一般满功率工作 100 - 900 ms 并进行一次定位，然后进入持续 1 - 10 s 的较低功耗待机状态。 有时（通常为每 1800 s），该模块会重新进入满功率模式更新星历数据。

在 TP 模式下时，如果信号条件恶劣（低于 30 dB-Hz），该模块会自动切换至满功率模式，以提升导航性能， 当信号条件恢复正常时再次进入 TP 模式。 这样会形成多变省电状态，但对于固定输出速率来讲，则可获得更可靠的性能。 采用 TP 模式的应用工作时与采用满功率模式的应用类似，但在强信号条件下会显著降低功耗。

图 3：Antenova 的 M10478 GPS 模块内置天线系统。

至于必须单独添加天线的设计， SG 系列 GPS 接收器模块（ Linx Technologies 产品）便是一款采用板载 LNA 和 SAW 滤波器的自保持式高性能 GPS 接收器。 该器件基于 SiRFstar III 芯片组，拥有高灵敏度和很低的功耗，有助于最大限度地延长能量收集应用的运行时间。 SG 系列拥有超过 20 万个有效相关器，即使在最低信号水平下也能在数秒之内同步搜索并跟踪多达二十颗卫星。

该接收器采用兼容回流焊的紧凑型 SMD 封装，无需进行编程或者增加 RF 元件（天线除外）就能形成一个完整的 GPS 解决方案。 通过简单的串行命令便可方便地配置五个 GPIO，再加上该模块的标准 NMEA 数据输出，即使以前没有任何 RF 或者 GPS 经验的工程师也能轻松进行集成。 GPS 内核能自动处理所有必要的初始化、跟踪和计算任务，无需编程。 RF 部分针对低水平信号进行了优化，因此任何类型的器件在生产时也不需要调节。

默认情况下，SG 系列满功率模式工作，但也内置了功率控制模式，这一模式在采用能量收集源时称作自适应涓流电源模式。

天线注意事项

SG 系列可采用各式各样的外置天线。 该模块提供调节式功率输出，可简化 GPS 天线的使用，但需要外部电源。 这给设计人员带来极大的灵活性，但是为了确保获得最佳性能，必须认真选择天线。

微型便携式设备可用在各个变化方向上，因此，相比具有高增益以及相应地波束更窄的天线元件，外形宽且统一的天线元件能获得更好的总体性能。 相反，对于采用固定安装方式且该方式可预见的天线，如果其外形和增益特性适合目标应用，则有助于发挥天线性能。 在实际解决方案中评估多个天线解决方案，是快速确定哪种天线最满足应用要求的好办法。

用于 GPS 时，天线应具有良好的右旋圆极化 （RHCP），以匹配 GPS 信号极化方式。 陶瓷片天线是最常见的天线类型，有着许多不同的形状、大小和款式。 无源天线仅是一种调谐至正确频率的天线，而有源天线则在天线前和模块后增加了一个低噪声放大器 （LNA），用于放大微弱的 GPS 卫星信号，但功耗要超过能量收集源的供给，因为 VOUT 线路在 30 mA 时向该外部 LNA 提供 2.85 V 电压。

在天线和模块之间保持一条 50 Ω 的路径极为关键，因为布局方面的误差可能会显著影响模块性能。 虽然该模块的设计使得集成工作简单明了，但仍需特别注意 PCB 的布局，这点十分重要。 如果不能采用良好的布局技术，将会大大削弱模块性能，导致芯片在对较低性能进行补偿时增大功耗。

布局的主要目的是在从天线到模块的整条路径上保持稳定的 50 Ω 特征阻抗。 模块应尽可能与 PCB 上的其它元件合理隔离，尤其应与晶体振荡器、开关电源、高速总线等高频电路隔离，使 RF 和数字电路位于 PCB 上的不同区域。

PCB 印制线不应穿越模块下方，这点很重要，否则在设计如此小的系统时会造成很大麻烦。 在模块所处的 PCB 层上或该模块下方不应有任何铜线或者印制线，即保持裸板状态。 模块下方有印制线可能会造成与产品电路板上的印制线发生短路或者耦合。

将一块大型连续接地层置于与模块相对的下一层，以形成一个低阻抗返回路径，用于接地以及保持稳定一致的带状线性能。 印制线应尽可能短，也不穿过模块或任何其他元件下方将会有很大帮助，因为利用贯穿孔在多个 PCB 层上为天线印制线布线时会增加电感。 相反，应利用多个贯穿孔应将接地层和元件接地连在一起。

对于小型设计，通常会将产品密封，可以使用各种各样具有不同电气特性的灌封料。 因为此类灌封料能严重影响 RF 性能和产品的再加工或者保养能力，所以，设计人员应谨慎选择，找到合格的材料。

电源管理

当 RF 部分以及 GPS 主内核掉电时，该模块能从向 SRAM 存储器和 RTC 供电的后备电池获取电源。 这样，该模块就能在供电恢复前具有更快的 TTFF。 存储器和时钟电流消耗约 10 μA，因此采用太阳能电池作为电源是可行的。

这还意味着，小型锂离子电池足以为这些功能部分提供电源。 这样会大幅减少功耗，延长主电池使用寿命，同时在模块电源恢复时快速进行定位。 与能量收集有关的问题之一是，模块需要一个洁净、稳压性能良好、噪声低于 20 mV 的电源，因为电源噪声会严重影响接收器灵敏度。

例如 LTCR3108 器件（Linear Technology 产品），该器件属于高度集成的 DC/DC 转换器，并针对收集、管理来自极低输入电压源的多余电能进行了优化。 这样，就能从用于硬币大小 GPS 接收器的小型太阳能电池获取电能，因为这种升压拓扑结构能在低至 20 mV 的输入电压下工作。

LTC3108 具有大小在 2 Ω 至 10 Ω 之间的最小输入电阻（负载），具体由输入电压决定。 输入电压降低时输入电阻增大，因此，LTC3108 利用几个欧姆大小的源电阻就能对电源的功率传输进行优化。 带载情况下提供较高的输入电压时，较低的源电阻始终能实现更大的输出电流能力。

图 4：LTC3108 能量收集电源管理器可管理连接太阳能电池的接口。

在成熟的架构中增加一个唯一的 VOUT 选项即可实现这一功能。 该 2.2 V LDO 向外部处理器供电，而主输出则经过编程后用作四个固定电压中的一个，向 GPS 接收器供电。

LTC3108 也能管理一个系统中多个输出的充电和调节，其平均功耗很低，但在 GPS 接收器在位置轮询时会产生较高的周期性负载电流。 电源管理器基于一个 MOSFET 开关，利用一个外部升压变压器、一个小型耦合电容器组成了谐振升压振荡器。 这样，电源管理器就能将最低 20 mV 输入电压提升至一个足够高的水平，以提供多路稳压输出，向其它电路供电。 振荡频率由变压器二次绕组的电感决定，且通常为 10 kHz 至 100 kHz。

可编程输出

主输出电压 VOUT 由 VAUX 电源充电，用户可通过电压选择引脚 VS1、VS2 对该电压编程，使其成为四路稳压中的一路。 虽然 VS1 和 VS2 的阈值逻辑电压的典型值为 0.85 V，但建议将其接地或者连接至 VAUX。

当输出电压稍稍降至稳压值以下时，只要 VAUX 大于 2.5 V 就可产生充电电流。一旦 VOUT 达到合适的值，该充电电流即被切断。 VOUT 由内部可编程电阻驱动器设定，因此不需要阻值很大的外部电阻器，且这种外部电阻器易受板泄露和功耗的影响。

电源监视

电源良好比较器也用于监视电压 VOUT。 这是一个开漏输出，带有可达到 LDO 电压的弱上拉电阻 （1 MΩ）；该输出会在 VOUT 充电至其稳压值的 7.5% 以内时升高。 如果 VOUT 下降超过 9%，那么 PGOOD 将降低，以向微处理器发出信号；PGOOD 用于驱动芯片 I/O，而不是驱动如 LED 等较大电流负载。 PGOOD 信号也可用于当 VOUT 达到稳压值时，唤醒处于休眠状态的微处理器或其它电路。

VOUT2 可由主机通过 VOUT2_EN 引脚接通和关断。 当 VOUT2 被启用时，会通过一个 1.3 Ω 的 P 沟道 MOSFET 开关连接至 VOUT。 这个由主处理器控制的输出可用于向外部电路供电，如没有低功耗休眠或关断功能的传感器、放大器。

把 VOUT2 上的去耦合电容降至最小，能使其更快速开关，进而缩短猝发时间，故能在无线传感器和发射机的脉冲应用中实现更小的占空比。 小型 VOUT2 电容器也能在 VOUT2 每次启用时将电容中充电过程中的电能浪费降至最少。 VOUT2 有一个约为 5 µs 的软启动时间，用以限制充电电流，并在 VOUT2 被启用时最大限度地减小主输出的毛刺。 此外，还有一个可将峰值电流降至 0.3 A（典型值）限流电路。 VOUT2 使能输入的典型阈值为 1 V、滞后为 100 mV，因此能兼容逻辑电路。

GPS 专用芯片

另外一种选择便是 GPS 专用芯片，而非模块。 MAX2741 L1 波段 GPS 接收器 IC 的总电压增益为 80 dB，级联噪声系数为 4.7 dB，能在针对室内跟踪解决方案且要求 -185 dBW 的各种应用中达到接收器灵敏度。

这一双路转换接收器能将 1575.42 MHz GPS 信号首先降频转换至第一 37.38 MHz IF，然后转换至第二 3.78 MHz IF。 采用集成式 2 位或 3 位 ADC（1 位 SING，1 位或 2 位 可选 MAG）对第二 IF 进行采样，并向基带处理器输出数字化信号。 集成式频率合成器有助于灵活地进行频率分配，从而能针对 2 MHz 至 26 MHz 基准频率采用单板设计。 由于采用集成式基准振动器，因此可在 TCXO 或晶体模式下工作。

图 5：MAX2741 GPS 接收器 IC。

该接收器采用 2.7 V 至 3.0 V 电源，在激活状态下电流消耗仅 30 mA，因此可采用能量收集源。 该器件采用 28 引脚 QFN 封装，能在 3 V 电压下以及此类小体积、高集成度接收器设计中在 -40°C 至 +85°C 温度范围内工作。

结论

利用最新的 GPS 和电源管理 IC、模块和天线设计，我们能开发出利用环境进行自供电的超小型设备，并且这样的机会将越来越多。 利用太阳能电池为锂离子电池充电并由专门的电源管理器连接，能让 GPS 接收器运用到更多的领域，带来各种令人兴奋的全新应用。