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1 TC35i GSM 模块的低纹波噪声供电设计 Low Ripple Noise Power Supply Design for GSM module TC35i ( 清华大学 ) 彭涛袁涛谭涛 Peng,Tao Yuan,Tao Tan,Tao 摘要 : 采用 GSM 模块的远程数据传输方案应用日益广泛 但是在便携和移动设备应用领域, 供电电源输出功率小, 纹波噪声大, 瞬间负载电流大, 有时会影响到 GSM 模块及系统工作的稳定性 本文叙述了一种由 5V/600mA 电源向瞬间大电流的 TC35i GSM 模块供电的低纹波噪声供电设计方案 该方案已经在工程中得到了实际应用, 表明该方案有效可靠 关键词 : 低纹波 ; 低压差 ; GSM 模块 ; 供电中图分类号 :TP 文献标识码 :B Abstract: GSM modules are now widely adopted for remote data transmission. In the portable and mobile application area, the limitation of power supply capacity, high level of ripple noise and huge transient current may damage the system stability. In this article, one 5V/600mA power supply solution designed for TC35i GSM module will be discussed, which has been applied in a project and proved to be reliable and effective. Keywords: low ripple; low dropout voltage; GSM module; power supply 1 引言 GSM(Global System for Mobile Communication) 系统是目前最成熟 应用最广的一种移动通信系统, 具有网络覆盖面大, 通讯质量可靠, 使用成本低等优点 利用 GSM 模块实现远程数据传输的方案已经在远程监控 车辆调度 医疗服务 信息家电等领域得到广泛的应用 GSM 模块平均功耗较小, 瞬间功耗大, 部分应用领域受到环境条件制约, 存在系统外部供电电源功率小, 电压不稳, 纹波噪声较大等问题, 有时会影响到 GSM 模块及系统的稳定工作 铁路冷藏车厢温度远程监控系统的供电电源为 5V/600mA, 在使用购买的 GSM 模块开发板的时候, 就遇到了因为电源维持不了瞬间大电流, 供电电压过低导致 GSM 模块在连接网络和发送短信时自动关机的问题 针对这个问题, 我们通过研究和测试, 对供电方案做了重新设计, 满足了系统稳定性和可靠性要求 2 TC35i GSM 模块 TC35i 模块是西门子公司专为 GSM 通信设计的专用模块, 具有数据, 语音, 短消息和传真功能, 工作于 EGSM900/GSM1800 频段, 通过一个 40 脚 ZIF(Zero Insertion Force, 零插力 ) 连接器和一个 GSC 天线插口, 可以提供较为方便的嵌入式低功耗无线连接 TC35i 模块通过 ZIF 接口的 BATT 和 GND 引脚供电, 输入单一电压 3.3~4.8V, 典型值 4.2V 模块平均电流消耗( 典型值 ) 为 : 关机模式 50uA, 休眠模式 3mA, 空闲模式 ( 已连上网络 )15mA, 通话模式 300mA, 最大电流 2A TC35i 模块每 4.615ms 有一个持续 577us 的信号发射脉冲, 要求电源提供峰值典型值 2A 的电流 在手机模块启动连接登陆网络, 或是进行数据传输和语音通话时, 电流最大 峰值最大有可能到 3.5A 输入电源电压不能低于 3.3V, 否则手机模块将会自动关断, 电压瞬间跌落不能超过 400mV 3 系统供电方案设计电源额定输出功率 3W, 监控设备 ( 包括蜂鸣器等 ) 最大功率约 1W, 可以供给 GSM 模块的功率约 2W 左右 系统采用降压稳压器件, 将 5V 电压稳压到 4.2V 向 GSM 模块供电,

2 同时选用合适容值的电容以弥补输出瞬间电流不足 3.1 降压稳压器选用现在常见的降压稳压器主要有 : 电感型开关稳压器 开关电容稳压器 低压差线性稳压器 (LDO) 开关电容稳压器的输出电流较小, 不适应大电流输出 在输入和输出压差较高时, 电感型开关稳压器的效率最高, 但当输入输出电压逼近时,PWM 占空比趋近极限, 输出电压不稳定, 具有较大的纹波 LDO 具有较低的静态电流, 设计方案简单, 线路成本低, 而且有较高的噪声和纹波抑制, 而且在低压差应用可以避免效率及热量管理的缺陷, 其转换 P V I V I V 效率公式为 : η = = = P V I V ( I + I ) V OUT OUT OUT OUT OUT OUT IN IN IN IN OUT GND IN, 近似等于输出与输入 的电压比 因此低压差线性稳压器是 GSM 模块供电的合适选择 表 1 三种降压稳压器特点比较 特点 电感型开关稳压器 开关电容稳压器 LDO 线性稳压器 设计复杂性 中到高 中 低 成本 中 中 低 噪声 低到中 低 最低 效率 高 中到高 低到中等 热量管理 最好 好 差到中 输出电流 大 低 中 TC35i 模块 2A/577us 的电流脉冲无法完全由电容提供, 决定了稳压器要承受比较大的 电流冲击 图 1 反映了稳压器给 TC35i 供电时的输出引脚电流 测试方法为 : 在 LDO 输出 引脚上串联一 0.02Ω 2W 的电阻, 测量电阻两端压降 LDO 的输出电容为 3000uF 测得 LDO 输出的最大电流约 2.5A 我们选用了 5A 输出可调电压的准 -LDO 稳压芯片 LM1084, 其线性调整率 0.015%, 负 载调整率 0.1%, 输出噪声 0.003%, 静态电流 5mA,5A 输出时降落电压 1.3V( 均为典型值 ), 基本满足 TC35i 的供电要求 供电设计电路图见图 2 图 1 LDO 输出引脚电流波形图 图 2 TC35i 供电电路 3.2 负载瞬态响应分析及电容选择负载瞬态响应是指电路对负载电流的突然变化作出的响应

3 LM1084 的基本功能结构如图 3 输出电压的波动经 Adjust 引脚和基准电压相比, 通过放大器改变输出驱动电流控制晶体管的压降, 从而稳定输出电压 供电过程中, 输出电压校正连续进行, 调整时间只受比较放大器和输出晶体管回路反应速度的限制 图 3 LM1084 基本功能结构图当 GSM 模块消耗电流增大时, 最开始由输出电容提供了所有的电流, 同时输出电压下降, 直到 LDO 反馈环路做出调整 由电容公式 I=C*du/dt, 输出电容越大, 电压下降幅度越小, 但 LDO 调整时需要向电容充电以提升电压, 使得电压恢复时间延长 虽然采用大电流可以有效的提高电压输出的鲁棒性, 但是也带来系统动态特性变差, 需要考虑供电模块上电下电保护等问题, 所以不能任意选择大容量电容 图 4/ 图 5 分别是输出电容 1000uF/3000uF 的输出输入电压波形图, 相比之下电容取 1000uF 可以在电压下降幅度和恢复时间中取得较好的平衡 测得最大压降约为 350mV, 恢复时间约为 0.5ms 为使 600mA 额定输出的 DC-DC 电源能给 LDO 供给足够的电流, 也需要在电源输出引脚并上一个与 LDO 输出电容相匹配的电容 图 4 LDO 输出输入电压波形图 (Cout=1000uF) 图 5 LDO 输出输入电压波形图 (Cout=3000uF) 3.3 系统稳定性和噪声判断系统的稳定性, 有两个重要指标 : 负载调整率和线性调整率, 即当负载电流和输入电压分别发生瞬态变化时, 输出电压的稳定能力 负载调整率的实质是稳压器的输出阻抗, VOUT R 其定义为 SI = 100% = V I V OUT OUT OUT OUT, 线性调整率主要由基准源的相对精度决定, 其定义为 S V VOUT VREF 1 = 100% = 100% 由 LM1084 的线性调整率 V V V V OUT IN REF IN 0.2%( 最大值 ) 计算,LDO 输入电压变动 100mV 时, 输出变动 0.84mV, 几乎可以完全滤除输入噪声 图 4/ 图 5 波形图中上部是输出波形, 下部是输入波形, 从中也可看出 LDO 出色的噪声抑制效果 3.4 保护二极管由于输出电容的容值比较大, 如果 LDO 输入端突然对地短路, 输出电容将会产生相当大的电流涌入 LDO 的输出引脚, 有可能会损坏 LDO 在电路中 LDO 的输出和输入脚之间

4 增加了一个外部二极管, 在异常情况下起续流保护作用 3.5 TC35i 通讯时的功耗及效率分析 图 6 TC35i 模块供电电压电流示意图假设 TC35i 恒定每 4.615ms 有一个持续 577us 的 2A 突发电流, 并假设电容的充放电曲线为直线, 则得到图 6, 从中可以计算得出 TC35i 的平均功耗最大约为 2.1W 从图 4/ 图 5 中可以看出,5V 电源在电流脉冲时也会有电压跌落, 跌落电压比 LDO 输出的跌落电压幅值略小 假设其跌落幅值相同, 在 LDO 上一直保持恒定的 0.8V 电压降落, 由 LDO 的功耗公 式 P = V I + ( V V ) I, 可得出, 在 LDO 上的平均功率损耗约为 0.44W LDO D IN q IN OUT OUT 的效率为 η P /( P + P ) = 82.7% OUT OUT D 3.6 TC35i 关机模式时的系统功耗利用 GSM 模块实现远程数据传输一般有四种方式, 一是终端定时发送, 一是手动操作终端发送, 三是终端保持供电随时等待接收指令, 四是终端定时开启等待接收指令 GSM 模块只需要在发送短信, 和等待接收短信时供电, 其他时间可以让模块处于关机或休眠模式 TC35i 可以用 AT 指令 AT^SMSO 实现关机模式, 通过大于 100ms 的 /IGT 低电平信号从关机模式唤醒 经测试, 当关机模式时,5V 电源的输出电流小于 1mA 4 结语使用 GSM 模块可以为很多通信应用提供经济 高效的解决方案 但 GSM 模块瞬间电流较大, 对电源的要求较高 本文对降压稳压器 电容选择 功耗等做了实际的分析比较, 提出了一个高效率低压差低噪声的供电方案, 该方案具有适应低电压小功率电源, 抑制噪声能力强, 负载瞬态响应好的优点, 可以为 GSM 模块在有限电源能力下的推广应用提供借鉴 参考文献 [1] TC35i Cellular Engine Hardware Interface Description. Siemens. V [2] LM1084 Datasheet. [3] Chester Simpson. Linear Regulators: Theory of Operation and Compensation. National Semiconductor [4] 许文丹. 电源管理器件输出电压精度的分析. 现代电子技术, 2005(15): [5] 马勋, 张波. LDO 降压转换器的稳定性分析. 微电子学, 2004(2): [6] 孟祥印, 肖世德. 基于先进集成电路多输出线性直流稳压电源设计. 微计算机信息 ( 测控自动化 ), 2005 年第 21 卷第 1 期. 本文的创新点 : 本文从具体的工程项目 ( 铁路冷藏车厢温度远程监控系统 ) 出发, 研究了 GSM 模块在小功率电源状况下的供电方案, 并从原理 数学计算 实际测试等方面做出了分析, 给出了一个经过实际检验的可靠方案

5 作者简介 : 彭涛 ( ), 男, 汉族, 湖南浏阳人, 清华大学自动化系硕士研究生, 研究方向 : 电子检测技术 嵌入式系统 pt361@yahoo.com.cn 袁涛 ( ), 男, 汉族, 副教授, 清华大学自动化系硕士研究生导师 谭涛 ( ), 男, 汉族, 清华大学自动化系硕士研究生 Author brief introduction: Peng Tao, male, born in 1982, Han, Master of Automation in Tsinghua University, major in Measurement and Automatic Devices, Embedded System. pt361@yahoo.com.cn. Yuan Tao, male, born in 1956, Associate Professor of Automation Department in Tsinghua University. Tan Tao, male, born in 1980, postgraduate of Master of Automation Department in Tsinghua University. ( 北京清华大学自动化系 ) 彭涛袁涛谭涛 (Department of Automation, Tsinghua University, Beijing, , China) Peng,Tao Yuan,Tao Tan,Tao 通信地址 :( 清华大学中央主楼 428 房间 ) 彭涛 彭涛 : 硕士研究生北京市科技计划项目 :H

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