下一代电源解决方案的基础知识，实现轻松的位置跟踪

移动性正在以惊人的速度增加，位置跟踪被证明非常有用。利用全球导航卫星系统 （GNSS） 的设备可提供有用的位置信息。在空间受限、可穿戴或便携式设备中，GNSS 接收机的电源管理对于设备功能和性能至关重要。本应用笔记重点介绍使用ADI公司的单电感多输出（SIMO）电源管理集成电路（PMIC）进行便携式位置跟踪的优势，并特别关注降噪、节能、BOM减少和解决方案尺寸最小化。

介绍

在从消费到工业的众多行业中，越来越需要以极高的精度和准确度实时跟踪位置。无论是定位亲人、跟踪包裹、在户外导航还是管理资产，拥有可访问、紧凑、准确、精确和连续的定位服务都能让您高枕无忧。紧凑型位置跟踪系统的一个关键组件是电源解决方案，因为其效率和噪声特性直接影响整个系统的运行时间和精度。因此，创新下一代电源解决方案以进一步提高位置跟踪器的功能非常重要。本应用笔记讨论了为紧凑型位置跟踪系统设计电源解决方案的技术挑战，重点介绍了使用ADI公司的单电感多输出（SIMO）电源管理集成电路（PMIC）的优势。主要重点是降噪、节能和最小化占地面积。

全球导航卫星系统概述

全球导航卫星系统（GNSS）始于1978年，随着美国全球定位系统（GPS）卫星星座的发射。从那时起，GNSS已经发展到包括来自俄罗斯，欧盟，中国，日本和印度的卫星。为了实现位置跟踪，每颗卫星不断传输三个关键信息：

传输时间，精度在3ns以内。

由高度、纬度和经度组成的卫星位置（基于已知轨道和确切时间）。

部分年鉴，包含有关地球接收器接下来可以与之通信的卫星的信息。

利用来自至少三颗卫星的GNSS信息，接收器可以根据卫星数据的传输时间（相当于与卫星的距离）和卫星的已知位置计算其在地球上的粗略位置。当使用更多的卫星时，接收器的位置计算变得更加准确和精确，但代价是使用更多的功率。

便携式 GNSS 设备挑战

由于GNSS信号至少传播20，200公里才能到达地球，并且以28.6°的锥体分布，因此卫星和接收器之间存在显着的信号衰减。定位精度与信号中相对于信号强度的噪声量直接相关。大气、干扰信号和物理障碍（如茂密的树林或建筑物）会增加噪声和反射信号，这使得准确的位置跟踪具有挑战性。最初重新启动 GNSS 接收器（冷启动）时，设备必须查找可用的卫星。为了快速锁定有用的卫星，接收器必须进行多次数据密集型计算，这反过来又需要更多的功率。为移动 GNSS 设备供电非常困难，因为消费趋势需要下一代技术来提高准确性、精度和处理速度，同时延长电池寿命并减小整体外形尺寸。

对于可穿戴或便携式定位设备，有三个主要的设计考虑因素：

将内部噪声降至最低，以确保 GNSS 信号的最高保真度。

保持低功耗，确保连续使用也能延长电池寿命。

确保解决方案尺寸小，以提高最终产品的耐磨性或便携性。

GNSS 接收器需要考虑四个电源轨。图 2 描述了常见的 GNSS 接收器和电源管理配置。接收器最耗电的输入是V核心，用于管理位置计算。使用时，V核心可连续吸收高达20mA的电流。接收器的低噪声放大器（LNA）也获得电源，这对于接收和解调卫星信号至关重要。LNA 电压轨必须具有尽可能小的固有噪声，以保持 GNSS 报文的最高保真度。为了管理数字通信、存储器和其他系统功能，还向 V 供电DD和 VIO.

图2.采用ADI公司SIMO PMIC的GNSS接收器。

图2所示的电源解决方案是ADI公司的SIMO PMIC。该电源解决方案实现了单电感多输出 （SIMO） 拓扑，与 GNSS 接收器相比具有多种优势。通过使用 SIMO PMIC，可提供 GNSS 接收器所需的四个电源轨，同时保持低噪声、高效率和少量外部组件。以下各节将详细介绍使用 SIMO 电源管理解决方案的这些优势。

有关 SIMO 架构的更多详细信息，请参阅 SIMO 白皮书。

噪音管理

对于GNSS接收机，内部噪声抑制尤为重要，因为接收信号可能已经具有明显的固有噪声，这会降低位置跟踪的性能。现代GNSS接收机正变得高度敏感（推动-160dBm），这意味着它们可以接收非常低的功率信号。虽然这意味着通过更小的天线减小终端设备的尺寸，但也意味着噪声考虑更为重要。为了保留高质量的信号，解调和解码GNSS信号的内部系统必须具有稳定的电源。因此，低压差（LDO）稳压器用于为接收器的LNA供电，并将其他电源轨上的纹波降至最低。使用 SIMO 电源解决方案，峰值电感电流是可配置的，从而提供输出电压纹波幅度的控制。图3显示了用于为GNSS接收器供电的每个通道的纹波。蓝线对应于 V核心，用于管理位置计算。红线对应于VDD，提供给数字通信。绿线对应VIO，橙色线对应于 V液化天然气，为噪声敏感LNA供电。精确操作，纹波< 20mV聚丙烯建议使用 V核心， VDD和 VIO.而对于 V液化天然气，为噪声最敏感的子系统供电的电源轨，纹波为 < 5mV聚丙烯建议。

图3.SIMO 电源解决方案的纹波测量。

省电

GNSS 接收机通常不需要连续接收和处理数据。例如，在缓慢移动的应用中，可能只需要每30秒读取一次读数即可提供准确的位置。因此，GNSS 接收器在待机时进入低功耗模式是有益的。GNSS接收器的功率损耗与工作电压的平方成正比。为了节省功率，SIMO PMIC 可以通过降低提供给 GNSS 接收器的电压来实现低功耗模式。电压调节可由PMIC通用输入/输出（GPIO）引脚之一进行控制，以实现动态控制。当GNSS接收器的工作要求较低时（例如，冷启动后或位置读数/计算之间），SIMO PMIC可以降低电源电压。图 4 提供了 SIMO PMIC 电压调节功能的示例，这些功能与 GNSS 接收器系统要求有关。蓝线表示用于 V 的 SIMO 电源轨核心.当需要高功率状态时，GPIO 切换为低电平以设置 V核心电压至0.7V。否则，当需要低功耗状态时，GPIO 切换为高电平以更改 V核心至 0.5V。

图4.动态电压调节 （DVS） V核心与西莫PMIC。DVS 下降转换时间取决于负载。

由于电池寿命对于可穿戴和便携式设备的可用性至关重要，因此GNSS接收机系统的效率是一个主要的设计考虑因素。与传统的分立式电源解决方案相比，SIMO PMIC 显著提高了系统效率并降低了功耗，从而延长了电池寿命或减小了终端设备的电池容量（和尺寸）。如图5所示，当使用SIMO PMIC为可穿戴GNSS接收机供电时，与传统的分立电源解决方案（左）相比，系统效率提高了15.5%（右）。由于SIMO PMIC具有三个易于编程的开关输出，因此可以调整LNA线性稳压器的裕量以实现更高的系统效率。因此，SIMO实现降低了从电池汲取的电流，从而将电池寿命延长了25%。

图5.传统电源解决方案与SIMO PMIC的功耗比较

尺寸和物料清单减少

空间在带有GNSS接收器的可穿戴和便携式设备中非常宝贵。为了最大限度地利用天线和电池等性能在很大程度上取决于尺寸的组件的可用空间，减小控制电路的尺寸和PCB体积至关重要。由于ADI公司的SIMO拓扑仅使用一个电感来调节三个高效开关输出，因此与分立方法相比，节省了大量空间，并且所需的元件更少。图 6 显示了传统电源管理系统（左）和 SIMO 电源管理系统（右）之间的封装比较。传统系统包括两个分立式降压稳压器、两个线性稳压器和十二个无源元件。SIMO 电源管理系统包括一个单片 PMIC 和七个无源元件。这两种解决方案都涵盖了GNSS接收器所需的电压轨。然而，SIMO PMIC 将溶液尺寸面积减少了 8.7mm2 或 ~30%。由于电感器是最大的无源元件，因此SIMO PMIC只需要一个电感器即可节省大部分空间。

图6.传统电源管理（左，28.7mm2，20 个外部组件）与 SIMO PMIC（右，<> 毫米2，七个外部组件）。

总结

在考虑可穿戴GNSS接收器的功率需求和器件限制时，ADI公司的单电感多输出（SIMO）电源管理集成电路（PMIC）提供了出色的解决方案。由于低噪声、长电池寿命和小解决方案尺寸在 GNSS 系统中至关重要，SIMO 电源解决方案通过仅使用一个电感器实现可编程纹波控制、动态电压调节和三个输出轨调节来满足这些设计标准。因此，当使用 SIMO 电源解决方案时，GNSS 接收器可以使用更长的使用寿命或使用更小的电池，具有更高的精度和精度，并且易于适应可穿戴外形。

审核编辑：郭婷