恰巧看到一个文章,是写手机插入USB充电时,GPS SN值下降4dB的问题。
文章中说
“充电引起的Desense 多半Charger IC 脱不了关系。你插上USB 后 讯号会进入Charger IC 然后会以PWM 的波形 输出到你的手机系统。PMW 本来就会有很强烈的瞬时电流 所以才需要Lx 这么一颗功率电感来稳定电流。因此 你可以在Lx 左右两旁 分别各放置27 pF 的接地电容试试。看哪一种摆法 对你的Desense 有改善效果。
以0201 为例 27pF 的电容 对GPS 频段的干扰。大约有26.58 dB 的抑制能力,那如果两颗一起摆(左右两旁分别放置一颗)效果会不会更好?
理论上会更好 实际上会更差 原因在于你的Layout。因为这两颗落地电容 你事先电路图上并无预留 所以一起摆的话 肯定是共地 如此一来 其Noise 反而会透过共地 直接绕过功率电感流到你的手机系统 。刚说过了 功率电感是用来稳定电流的,换言之 若没经过功率电感 其瞬时电流会非常强,这就是为啥两颗一起摆 实际上会更差之故,再来是VBUS 刚说过VBUS 是输入端 如果输入端就有Noise,那输出端的电源 当然不会干净,所以可以在VBUS 的头尾 同时放置27 pF 的接地电容试试,当然 这样就会共地 但情况跟前述例子不同。
前述例子是因为两落地电容离太近 且共地上不确定有无Via,在此情况下 当然有可能会让desense 更糟糕,但VBUS 通常有一定长度 换句话说 头跟尾有一定距离,此时共地会等效成一个电感 电感对高频Noise 是高阻抗路径,所以Noise 不会走这条高阻抗路径,再来 这么一大片共地 不可能途中一颗Via 都没有吧,所以就算Noise 会在共地上流 流到Via 处就会下去Main GND 了,尾端放27 pF 的落地电容 用意是确保进入Charger IC 的电源 没有Noise,头端放27 pF 的落地电容 用意是确保Noise。不会窜到USB 插座或USB Cable,因为USB 插座 是一个金属 如果接地没有很好,就会变成一个辐射体 一但有Noise 就会辐射出去 打到GPS 天线,此外USB 插座接地不好 那USB Cable 插上去时 也不会有良好接地,加上Cable 里乘载的是很强的电流 此时Noise 也会由USB 插座窜到Cable 然后辐射出去 打到GPS 天线。”
来源是:射频百花潭
另一篇文章有一些不同看法。认为问题有可能是:1.振铃电压干扰 2.高次电流干扰 3.热导致的频偏。
GPS 信号是从距地面大约 20000km 的LEO(Low Earth Orbit,低轨道卫星。)卫星上发送到地面上来的,其L1 频段(fL1=1575.42MHz)自由空间衰减为:
按照GPS 系统设计指标,L1 频段的C/A 码信号的发射EIRP(Effective Isotropic Radiated Power,有效通量密度)为P=478.63W(26.8dBw),假定大气层衰减为A=2.0dB,则GPS 系统L1 频段C/A 码信号到达地面的强度为:
由于不同纬度卫星仰角的不同、以及受树木、建筑物等的遮挡,高纬度L1 频段C/A 信号到达地面的强度可能会低于-160dBw,雨雪天气可能会低于-163dBw。
有童鞋可能质疑,为什么采用自由空间传播模型?的确,考虑地面反射,通常都会有一定的增益。 这里解释一下,由于多径效应严重降低定位精度,GPS采用右旋圆极化,有抑制反射波的特性,反射本身信号又有衰减,本处计算忽略了地面反射波的合成作用,是符合基本状况的。
换算成我们常用的dBm, GPS信号的理论下限就是-127.6dBm,对比GSM手机侧的截止接收信号电平-102dBm,小了25.7dB,大概弱了370倍。这就是为什么GPS信号难以处理的直接和主要原因,因此许多GPS专业接收器都采用外置天线加LNA的方式提高接收灵敏度, 业内水平基本都可以达到-160dBm的接收灵敏度, 满足在大楼边或者密林中,大雪中的GPS信号接收。
手机中限于体积,只能采用内置天线,而且布置位置严重受限,对灵敏度处理格外困难。
在充电的时候,突然发生GPS接收灵敏度的大幅度下降,通常有3个原因:
- 充电输入电流的导致的干扰
- LX点振铃电压导致的干扰
- 充电热效应导致的PLL频率偏移
图1.
这是一个典型的降压DC-DC转换,我们最容易想到的,就是2处出问题。 在2的位置,充电的时候将会出现如下图的振铃(仿真波形)
图2.
这个振铃被认为是DC-DC的固有结构导致的,只能减弱,不可能消除。
图3.
原理上可以这样理解:在上图中,上管导通,下管关闭,电流I流过高侧的寄生电感和导通的高侧的MOS管,和低侧的MOS管Cds以及LX这一点对地的分布电容产生谐振。
下图是一个真实电路的测量:
图4.
这是5V 500mA的DC-DC波形图,绿色线就是LX点的电压,可以看出,尖峰电压可以达到输入电压的120%~130%。这个尖峰蕴含了丰富的高次谐波,是很多干扰的源头。
总的来说,2处的干扰是dv/dt形成的干扰,是电场干扰,可以通过紧凑的Layout布局来限制,如果布局已经定下来,无法大改,可以简单地在LX对地并联一个10~30pF的电容,主要是降低寄生谐振的Q值,并没有让谐振能量消失,可以增加1k电阻和该电容串联,可以进一步吸收谐振能量,但对DC-DC转换效率有所影响。
如果你在2增加了snubber吸收电路,可是插上充电,问题还是没有解决, 怎么办?
原来开关模式的充电, 除了LX这一点是干扰源之外, 还有一个干扰源,就是交流适配器输出线或USB充电线上的电流。我们平常说5V2.1A电流,说的是平均电流。理论上电流波形是这样的:
图5.
在手机领域,为了避免电磁干扰的不确定性,通常采用固定频率的开关转换,电流小的时候是上面的波形,电流大的时候就是下面的波形。即使我天性鲁钝,不太懂拉普拉斯分析,傅里叶分析,也能看得出,这两种电路中含有非常丰富的谐波成分,换成人话,就是它们是干扰大热门。
如同在图1中所示,通常会有一个退耦电容1~10uF在输入端,滤除高频成分。对非射频敏感应用通常是足够的。 但是如果你看看一般MLCC的电容特性,遇到GPS这种极端敏感应用,心里就不会那么放心了:
上图是一个10uF各种电容的频率特性,100MHz以上已经接近一个电感了,没有什么滤除效果了。在图1的1uF旁边并联一个陶瓷22pF电容,或者同时在PMID也就是内部降压DC-DC充电的输入口并联一个22pF电容可以极大改善射频干扰。
不服气?看看苹果是怎么干的?有图为证!
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苹果用了2个4.2uF加2个100pF并联形成PMID的退耦,用了1个4.2uF加100pF在输入形成2层过滤。 之所以分开有一部分考虑是规避USB插入瞬间的浪涌电荷不超标。
还有一个办法来锁定问题根源是不是由于电流辐射,就是用不同荷电状况(SoC)的电池来充电,这样充电电流可能从2A到200mA不等,如果我们可以得到不同的灵敏度下降状况,即可锁定。
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曾经有一个客户的辐射超标,他们就很鸡贼地用快充满电的电池过了关。我们不推荐这种解决问题的方法,但欣赏这种思考问题的方法。
有了前面两招,绝大多数场合GPS的灵敏度都不错了 你的问题也就基本回答了。 但是的但是,今年情况特殊,因为天气太热了,因为现在的智能手机一旦启动内部温升往往很大, 但温度上升和灵敏度有什么关系呢?
我的第三个问题点就标在了充电芯片本身上。其实,并不是说充电管理芯片本身导致GPS灵敏度下降,而是说在充电的时候往往额外散发出1~2W的热量,应用处理器侦测出处于外部电源供电,也采取较高性能的运行方案,系统会散发更大的热量。因此在充电的时候运行GPS导航软件, 机身往往会有20~30摄氏度的温升。
GPS 信号是一个扩频系统,GPS卫星发出一种伪随机码C/A码,用于粗测距和捕获GPS卫星。对于C/A 码而言,其扩频码为码长1023 的Gold 码,码速率为1.023Mcps,即每1ms 为一个C/A 码周期。扩频增益Eb/N0可以通过提高本地码和接收信号之间的积分时间来提高。
相干累积结果和相干累积时长非常相关,积分方式分为相干累积和非相干累积。相干累积是指直接用本地码和接收信号按位相乘后再累加,而非相干累积则是对相干累积的结果平方再进行直接相加。
以相干累积为例(非相干累积计算复杂,不讨论),相干累积时间越长,对输入信噪比的要求越低,其灵敏度也就越高,但累积时长过长,由于频偏Δf 的影响,上式中第一项值也会越小,又会降低其灵敏度。
因此,一般高灵敏度的GPS 接收机都需要采用频率稳定度较高的TCXO 作为本振,以降低本地频率和载波频率之间的偏差。一般而言,高灵敏度的基带算法对本振的稳定度要求在8ppm 左右,该稳定度包括校正偏差、老化以及温度补偿稳定度,对于频率校正稳定度为2ppm、老化稳定度为5ppm 的TCXO 而言,一般要求其温度补偿稳定度在0.5ppm 以内。
以上图为例,频偏60Hz的就可以采取长得多的相干时间来达到更高的灵敏度。
手机3G/4G射频对晶振有苛刻的要求,然而,GPS有更高的要求。我不止一次遇到某品牌的手机在阴雨天气找不到卫星,然而放在出风口吹几分钟马上找到的尴尬,也不止一次在连续使用GPS几小时后在无遮挡的高速上短时间失去卫星连接,几分钟后自动恢复。这些小的瑕疵都指向一个问题,就是晶振的温度特性有待提高。
作为GPS系统的调试人员,遇到充电的时候灵敏度下降,不妨把眼光投射到射频系统之外。假如能确定是温升问题导致灵敏度下降,要解决这个问题倒是很简单,一是换用更低漂移的晶振,二是把晶振位置远离热源,三是在充电的时候限制最大温升。
最后我们总结一下GPS充电时候灵敏度下降的三个最有可能问题点:
1.振铃电压干扰
2.高次电流干扰
3.热导致的频偏
也有可能是三个点同时影响了灵敏度,我们必须同时考虑三点。
以上来源是:思享国for开源硬件
作者:御风而行的Will
作者还“建议”锤子设计师看看此文。
兄弟们有什么看法?