USB无线调制解调器的功率管理考虑事项

USB端口是电子设备中最流行的接口，几乎无处不在。虽然说USB 2.0规范规定USB端口可作为主机设备为下行功能提供2.5W/5V/500mA的电源，但实际中大多数USB电源在设计中都留有一定的裕量，电流会大于500mA，其具体数值因电子设备制造商而不同，有时甚至高至每端口1.5A。

图1所示为一个多频带网络USB无线调制解调器的通用系统模块示意图。其前端电源模块包括一个限流开关、一个步降转换器和几个mF数量级的充电电容器。它的输出电压取决于设计标准，在3.6~3.8V之间。

对于GSM/GPRS调制解调器，尤其需要小心谨慎，因为发送期间GSM/GPRS框架8个时隙中的一个或两个时隙需要2A峰值电流。2A峰值电流的脉宽为577μs，周期为4.615ms (217Hz)，如图2所示。本文将讨论支持class 8 (1 上行链路 + 4 下行链路) 和 class 10 (2 上行链路 + 4 下行链路) 的电源设计。

从系统功率的角度来看，设计挑战在于VBUS应该保持在4.4V之上以满足USB 2.0规范的要求，而GSM/GPRS PA的最小输入电压通常必需为2.9~3.0V，以确保安全工作。

图3所示为GSM/GPRS class 8条件下的典型波形。褐色线代表降压转换器的输出电压(设置为3.8V) 或RF PA的输入电压，其在2A峰值负载期间下降至3.3V，由绿色线表示。不过，蓝色线表示的VBUS 十分稳定，这是因为对USB主机设备的输入进行了限流，同时充电电容器可以支持超过输入USB功率的瞬态峰值功率。

前端电源模块有两种不同方案来配置限流开关：DC/DC 转换器和大型钽充电电容器，如图4所示。 拓扑 A 的顺序为 USB -OCP (过流保护) - DC/DC，而拓扑 B 的顺序是USB - DC/DC – OCP。

在拓扑A中，利用限流开关来防止USB输入电流超过预定的电流水平，由降压转换器为下游模块供电;而拓扑B则为充电电容器前面的GSM/GPRS PA提供专用限流功能。设计人员应该充分了解每种拓扑的优缺点，以满足不同的设计要求。

拓扑A

由图4 (a)可看出，由于限流开关负载前置，并且可以通过编程达到所需电流，故拓扑A允许设计人员简单限制USB主机设备的输入电流，最终给整个系统提供一个短路保护。超过预定电流水平(允许一定的容限范围，通常为 ±25%，但最好选择更严格的容限，比如10%)的输入电流无法流经开关。此外，由于充电电容器的容许电压降较大，也可以采用较小的充电电容器，从而节省BOM成本，减小解决方案的尺寸。

但另一方面，拓扑 A 对于实现USB调制解调器设计又存在着诸多不利因素。首先，必需一个额定电流超过2A的降压转换器来为下游器件供电，比如需要2A 脉冲电流的 GSM/GPRS PA、基带以及PMIC。这时，额定输出电流超过2A 的转换器具有一定的裕量，是个不错的选择。其次，充电电容器需要比较高的击穿电压，至少6.3V，这是因为5VBUS要求所致，并且它可能影响到解决方案的成本。最后，降压转换器的输出电压可能会因充电电容以及USB主机设备的最大容许输入电流不同而有所差异。图5所示即为电容值实例。

本文使用的FAN5353是一款额定电流为3A的单片式同步降压转换器，FPF2165R则是一款容限10%的可调限流开关， 限流和输出电压分别为600mA和3.7Vout。

图5(a)显示由于采用了3mF的大充电电容器， 在2A脉冲负载期间，Vout无显著下降被调节到3.7V。从图 5(b)可见，随着1.5mF 充电电容器的放电，GSM/GPRS PA输入线上出现400mV压降，波形如蓝色曲线。

拓扑B

在图6所示的拓扑B中，除了GSM/GPRS PA之外，基带和PMIC的输出电压恒定。这种结构颇具优势，因为无需担心主要通信芯片组出现电压波动或电压降。

其次，在GSM/GPRS PA之前可采用一个额定击穿电压比较低的钽充电电容器，因为降压转换器的Vout一般被调节到3.6 至 3.8V，故额定4V的大电容(bulk capacitor)就足够了，从而节省BOM成本。

最后，可以采用额定电流较低的降压转换器，只要它能在PA之前提供预定限流级的电流，并为其它电源模块提供最大负载电流即可。一般额定电流1A的降压转换器就可以实现，相比拓扑A，这可大大节省BOM成本。

不过，这种方案也有不少缺点。首先，在调节USB输入电流以满足USB规范要求方面，设计比较困难。如图4 (b)所示，限流专用于GSM/GPRS PA，设计人员必须得同时考虑到PA负载条件、其它电源模块以及USB输入电流。第二，视GSM/GPRS PA输入电流和限流阈值的容许电压降而定，必需一些较大的充电电容，从而导致BOM成本增加，外形尺寸变大。

从图6可见，在电容3mF，限流600mA的条件下，GSM/GPRS PA的Vout降至3.1V。如果PA输入压降需求较小，则需要较大的电容。简言之，表1对拓扑A和拓扑B进行了对比。设计人员必需权衡折衷，做出正确的选择。

设计实例

合适的USB电源

对于大多数系统电源设计，一个基本项目是检查输入电源是否足以充分有效地提供所需的输出功率，USB无线调制解调器也不例外。

一些设计人员有时会为此感到困扰，因为他们期望大型钽充电电容器能够连续支持其余的功率，并且不超过USB功率。然而充电电容器的主要作用只是在GSM/GPRS发送期间支持瞬态峰值功率。

在发送期间，图2中GSM/GPRS Class 10需要的平均电流经计算为 499mA。

如果通信芯片组另外需要300mA，则3.7Vout 降压转换器总共需要799mA的电流，亦即2.96W功率。

根据限流开关的导通阻抗，降压转换器的效率以及PCB迹线，假设系统效率为90%，输入功率至少应该为3.29W。在这种情况下，不可能实现2.5W以下的USB电源设计。图7所示为500mA USB限流调制解调器的故障工作曲线。解决这个问题的方法是提高USB的限流值。

设计规范

设计人员必需知道USB最大容许功率、GSM/GPRS PA最小容许输入电压、GSM/GPRS class以及最坏情况下传送期间最大通信芯片组负载等指标。另外，BOM成本也是一大挑战。

基于GSM/GPRS的 USB无线调制解调器的设计指标实例如下：

● USB容许功率：VBUS = 5V / 最大 700mA。

● 降压转换器输出电压： 3.7V。

● GSM/GPRS PA的Vin：3.2V 最小 / Class 10。

● 基带/RF/PMIC：最坏情况下传送期间300mA。