很乾，但實用——4G模組供電設計及其選型推薦

电子老师傅發表於2024-10-17

4G模組的外部電源供電設計十分重要，對系統穩定、射頻效能都有直接影響。

怎麼讓工程師朋友們在應用開發中少走彎路呢？

我將以Air780E為例，陸續分享系列實用乾貨。無論你是專家還是菜鳥，無論你是否使用的是合宙4G模組，都值得一看。

今天繼續分享——供電設計及其選型推薦

Air780E供電設計及其選型推薦

常見的物聯網應用場景下，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。

一、LDO供電方式

使用LDO電源晶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，穩定，對射頻、天線等影響較小。

但是由於4G-Cat.1系統的特色性，對LDO的選型要求較高。

一般LDO的電源參考設計如下：

對於LDO電源的設計與選型，有幾點注意事項：

1. 輸入電壓和輸出電壓壓差儘量小

由於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輸出電壓設定為接近4.2V，而輸入電壓建議不要超過5V，否則不建議採用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選型最重要的引數是熱阻ϕJA，表示晶片內部熱結點到周圍環境的熱阻。

通常晶片內部的結溫的計算公式為：

其中：Tj為晶片結溫；RϕJA為熱阻；TA為室溫；PD為LDO晶片的耗散功率；

對於晶片結溫Tj，通常規格書會給出當前晶片的最大允許的工作溫度，比如：

也就是，計算出來的LDO結溫度不能超過125°C。

而通常RϕJA熱阻與LDO的封裝形式高度相關，具體可以查閱相關LDO晶片規格書。

例如：

從上圖規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結溫為：

0.7x1x160+25 = 137 °C

高於規格書要求的125°C的最大工作結溫，所以SO-8的封裝不滿足4G-Cat.1應用要求。

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佈局的時候，要在空間允許的情況下，儘量增加散熱PAD的鋪銅面積以及儘量多的過孔導熱到PCB對面層增加散熱面積。

3. LDO佈局遠離熱敏感器件

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

比如：GPS、晶體振盪器、熱敏感感測器。

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盪。計算公式相對複雜，這裡不再贅述，感興趣可以查閱反饋迴路設計相關資料。

若實際使用中遇到LDO輸出震盪問題，調整輸出電容即可，一般來說，只要按照LDO規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選型不限於以上型號，可按實際需求參考選型。

二、DCDC供電方式

DC to DC開關電源的供電方式，是4G-Cat.1模組常用的方式。 其輸出電流高，輸入電壓範圍廣，而且功耗相對LDO要低，發熱小，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效能。不過這個問題，可以透過合理的DCDC電源設計以及PCB佈局走線來最佳化解決。

DCDC參考設計示例如下：

1. DCDC功能電路

接下來，以上圖傑華特的JW5359M開關電源舉例，講解各個部分的功能電路。

1）C1和C25構成輸入電容：

其中C1大電容為可選，主要作用是放置於電源聯結器附近，用於消除電源插拔時的尖峰電壓；C25 22uf要靠近開關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：

用於在DCDC內部下管關閉後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的耐壓要大於輸入電壓。

3）L2為功率電感：

電感的感值範圍可以由晶片規格書中公式進行計算得出，這裡不做贅述。

功率電感的選型除了關注感值外還需注意下面的幾個引數：

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後，此時電流的增大不再轉換為磁通量的增加，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於DCDC輸出的最大峰值電流。

注意，最大峰值電流並不等於輸出電流。而是等於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，於是最大峰值電流為1.5A，因此選擇功率電感的飽和電流要大於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）通常會小於額定的飽和電流（Isat）。所以在做電感選型時主要Irms也要高於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阻，主要影響電感的發熱，較大的內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。

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

7）反饋網路（R21，R22，C19）：

R21，R22分壓構成調整輸出電壓的反饋，這裡不做過多闡述。

注意，C19作為前饋電容主要作用是加快DCDC系統的瞬態響應，能夠讓DCDC在系統負載突然變化時，能夠更快的響應，使得輸出迅速穩定。

通常前饋電容是可選的，但是對於4G-Cat.1系統來說，由於射頻脈衝式的工作形式，導致4G-Cat.1系統對供電的瞬態響應要求高，因此前饋電容建議加上。前饋電容的值選擇建議對於DCDC晶片規格書推薦值，由於前饋電容會影響DCDC反饋環路的相位，不合適的值會影響環路穩定性，從而引起震盪。

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晶片規格書裡描述得很詳細，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開關電源的佈局要求

DCDC開關電源的佈局很重要，對4G-Cat.1射頻靈敏度有很大的影響。

典型的佈局較差的DCDC輸出波形如下：

上圖波形能看到兩種週期性的波形：呈現三角形，幅度相對較小的電源紋波；和尖峰脈衝幅值較大的地彈噪聲。

這裡涉及電源紋波和地彈噪聲兩個概念：

1）電源紋波：

是由開關電源的開關特性和功率電感輸出電容充放電共同作用的結果，只要紋波電壓幅值不大，基本不會對系統產生影響。如上圖紋波電壓峰峰值在20mv左右，相對較小屬於正常範圍。

調節功率電感值和輸出電容值以及開關頻率，均可以最佳化紋波電壓。

2）地彈噪聲：

由於脈衝時間短頻率高而且幅值較大，其高頻分量透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。

地彈噪聲產生的原因——是由於DCDC開關電源在工作時，上管和下管分別交替開啟，電流環路變化而造成的磁通量變換，從而在電流環路上產生感應電動勢，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在上下管切換的時刻。所以，地彈噪聲想要透過調節電容和電感值去最佳化噪聲是不可達到的。

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

因此想要儘可能的最小化噪聲，就要在輸出電容和輸入電容的辦法上做文章。

3. DCDC電源佈局示例：

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線到晶片的地管腳，從而整個輸入輸出電流環路面積最小。

4. DCDC佈局建議：

優先佈局輸入輸出電容，首先將輸入輸出電容靠近晶片放置，再考慮其他部分的佈局。
輸入輸出電容的地管腳和DCDC晶片地管腳直接的迴路連線，要儘量在表層連線，最好有一定寬度的覆銅。不建議透過過孔透過其他層連線，效果較差。
晶片SW管腳與電感連線的走線儘量短，以減小對外的輻射。
其他的一些通用的設計規則不再贅述。

總之，由於地彈噪聲一旦發生，在已經成型的PCB上就很難透過常規的硬體整改來定位問題和改善。因此，在設計的時候就要特別關注DCDC開關電路的佈局和走線。

三、鋰電池供電以及充電方式

透過直接用鋰電池給模組供電的方式適合運用在 行動式物聯網的場景， 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放電能力而且內阻較低，對於4G-Cat.1系統是比較理想的供電方式，而且Air780E模組的供電電壓範圍3.3V~4.3V是完全按照鋰電池的放電特性來設計。

1. 電池直接給模組供電的參考設計：

C49 220uF是補能電容：

由於鋰電池的低內阻和高放電能力，加上本身應用於行動式產品，空間尺寸優先。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聯結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 構成旁路電容濾波組：

不同容值的電容會有不同的協振動點，組合起來能夠增加濾波的高頻頻寬，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：

建議在設計時要加上，會顯著降低售後不良率。

TVS1參考選型：

PTVSHC3D4V5BH 芯導：

GESDBL4V5Y1 格瑞寶。

2. 充電電路：

對於鋰電池的充電有兩種方式： 線性充電和開關充電。 它們的工作原理類似於LDO和DCDC開關電源的原理。

對於500mA以下的充電電流優選線性充電的方式，成本低，電路簡單，干擾較小；
對於1A以上的充電電流優先選擇開關充電的充電方式；
在500mA~1A之前，根據產品的空間尺寸，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計：

▼ 設計注意事項 ▼

D2和C18構成輸入電源端的保護網路，靠近輸入端放置。若是5V USB進行充電的話，C1容值不宜太大，否則容易觸發電腦USB的供電短路保護。如果是直流電源供電，C18建議採用100UF以上的電解電容，電源浪湧保護。
充電晶片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，同時可以透過二極體做隔離同時連線到主控MCU GPIO管腳做充電狀態判斷，如果採用Air780E做主控的open 二次開發方式，需要連線到帶有中斷的GPIO。
充電晶片PROG管腳用於配置恆壓充電下的充電電流，由R5電阻的阻值進行設定，具體參考實際的晶片規格書。建議加上Q4 NPN作為充電控制管腳，可以透過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電平對應的電壓，達到充電晶片預設開啟狀態。
部分鋰電池會有溫度NTC管腳，用來檢測電池電壓，這裡可以用VDD_EXT做分壓，透過ADC檢測電池溫度，方便做電池安全檢測。注意R30的值要根據具體的電池NTC電阻規格來計算，建議分壓後的值落在0~1.2V的ADC有效量程之中。