标签: ltc

介绍了一种新颖的小型化射频收发前端设计方法，采用这种方法在LTCC基片上实现了一款L波段双频段射频收发前端，其电路尺寸仅为6.5 mm × 5mm × 0.5mm。样品测试结果表明，该射频收发前端的各项性能指标均达到了设计预期要求，并且具有接收损耗低、收发隔离度高等优点。文章分工作原理介绍、详细电路设计、三维结构实现、参数仿真优化几个方面对整个设计过程进行了较为详细的讲解，最后结合测试曲线对样品的测试结果作了简单分析。 随着现代无线通讯技术的发展，射频微波器件和功能模块的小型化需求日益迫切。本文介绍的L波段收发射频前端采用LTCC工艺，利用无源电路的三维叠层结构，大大缩小了电路尺寸。在电路设计上，使用单节λ/4短截线收发开关电路，既保证了高收发隔离和低损耗接收的电路性能，又比传统的并联式开关电路节省了一节λ/4短截线占据的空间，缩小了电路尺寸。 1 工作原理 本文介绍的收发前端包括一个900MHz与1800MHz双工器、两路PIN 管收发开关和两个声表面滤波器，电路原理如图1。 图1射频收发前端原理图 【分页导航】 第1页： 工作原理 第2页： 电路设计:开关电路设计 第3页： 电路设计:双工器设计 第4页： 三维结构实现/实验结果 2 电路设计 2.1 开关电路设计 射频微波电路中经常使用PIN二极管作开关器件。其结构像三明治一样，在高掺杂的P+和N+层之间夹有一本征的I层或低掺杂半导体中间附加层。设I层厚度为W，在正向偏压下，对于轻掺杂N型本征层，流过PIN二极管的电流为： 由上面的公式导出的结电阻和扩散电容可以在实际应用中很近似地模拟PIN二极管的性能。PIN管在正偏压下等效为结电阻Rs(本文中正偏压为2.5V，Rs约1欧姆)；反偏压卜等效为扩散电容CT(本文中为零偏，CT约0.5PF，在2GHz以下阻抗为千欧级)。 λ/4短截线常用于窄带内两个网络之间的阻抗匹配。设Z 1 、Z 2 为两个不等的阻抗，Z 0 为传输线的特征阻抗，调整Z 0 使之满足： Z 2 0 =Z 1 ×Z 2 (4) 则两个阻抗之间实现了匹配。图1中，Z 0 已知(50欧)，Z 1 为PIN 管正偏时的自谐振阻抗Rs或反偏时的开路隔离阻抗。当PIN管正偏置时，Z 1 很小接近于短路，经过λ/4短截线后在公共端口等效为开路，接收端被隔离，发射支路工作。当二极管反偏置时Z 1 接近开路状态(C T )，发射端被隔离，保证低损耗接收。 【分页导航】 第1页： 工作原理 第2页： 电路设计:开关电路设计 第3页： 电路设计:双工器设计 第4页： 三维结构实现/实验结果 2.2 双工器设计 由图1可见，天线接收发射的信号都要经过一个双工器，该双工器的主要功能是隔离GSM900频段与DCS1800频段信号。本文介绍的是一个GSM 手机前端，GSM 频段上下行频率范围为890-915MHz(TX)和935-960MHz(RX)，DCS频段上下行频率范围为1710-1785 MHz(Tx)和1805-l880MHz(Rx)。图2为双工器的电路结构。 图2 双工器电路图 如图2，在天线和GSM端口之间是一个低通滤波器，其截止频率在1000MHz左右，C1和L1组成并联谐振产生传输零点，我们设计其谐振点在1800MHz左右，用来抑制DCS频段信号，同时又可增加对GSM 频段二次谐波的抑制。 同时，在DCS端口天线之间是一个高通滤波器，C 5 和L 2 、L 3 和C 6 同时产生串联谐振，谐振频率在900MHz左右，用来抑制GSM频段信号。 按照同样方法可完成发射端口低通滤波器设计。最后利用ansof公司的电路仿真软件designer对收发前端模块进行整体电路仿真，优化参数，得到准确的电路模型。 【分页导航】 第1页： 工作原理 第2页： 电路设计:开关电路设计 第3页： 电路设计:双工器设计 第4页： 三维结构实现/实验结果 3 三维结构实现 电路仿真优化设计完成之后，对合适的无源元件在电磁仿真软件Q3D中建模，优化其C、L值，然后导入HFSS中整体仿真优化S参数。对于一些取值较大的元件如扼流线圈和限流电阻，由于模块基板尺寸和材料介电常数的限制，采用LTCC难以实现，将其和非线性元件PIN二极管、声表面波滤波器(SAW)一起表贴在基板上。对于λ/4短截线，由于每层的平面空间有限，采用多层螺旋线来实现，既可以节约空间又可以利用其产生电容来等效缩短λ/4传输线的长度。 4 实验结果 将最终加工得到的模块实物焊接在测试夹具上进行测试，两个频段的接收插损均小于1.9dB(通带内波动小于0.5dB)，两个频段收发隔离均大于25dBc。 5 结语 本文介绍了一款小型化L波段射频收发前端模块的设计过程，从电路设计、三维建模、仿真优化、测试结果分析几个方面进行了较为详细的讲解。其中使用的单节λ/4短截线收发开关电路既有效地降低了接收损耗、改善了收发隔离，又缩小了电路尺寸，值得借鉴。 【分页导航】 第1页： 工作原理 第2页： 电路设计:开关电路设计 第3页： 电路设计:双工器设计 第4页： 三维结构实现/实验结果

USB 口对设备的识别 有一个比较专业的词 “ 枚举（ USB Enumeration ） ” ，对 USB 设备来说是必须要经过的一步认证，在这个 过程中 USB 控制器识别插入的设备是高速还是低调，硬件驱动的 VID ，供电需求等等信息。     所有接入 USB 口的设备在刚开始消耗的电流都不能超过 100mA ，只有在枚举过程后主机才决定是否可以 给设备提供更高的电流。 如果没有枚举过程则 USB 口最多只能提供 100mA 的电流，如果用电器拉载超过 100mA 以上的负载，则 USB 控制器会关闭 USB 口。                    所有接入 USB 口的设备在刚开始消耗的电流都不能超过 100mA ，只有在枚举过程后主机才决定是否可以给设 备提供更高的电流。 如果没有枚举过程则 USB 口最多只能提供 100mA 的电流，如果用电器拉载超过 100mA 以上的负载，则 USB 控制器会关闭 USB 口。 这个过程好比一个公司，你就是 USB 设备，要进入公司首先要面试（枚举），你到了面试现场（第一次 插入设备），面试官首先了解到你的外表，性别已经你要应聘的岗位（设备描述符），然后给你一个号，以 后就开始按号叫人，当你被叫到就开始问你的专业知识，性格等（配置描述符），如果你比较合适（通过了 枚举）你就会录取了，并且注册一个你的信息到公司（驱动安装，并且写入注册表）。等你下次来公司，只 要把工号（ PID ， VID ）报上，就知道是你来了。 当然，实际过程远比描述的详细和复杂。整个枚举过程发生在 USB 设备接到 USB 口上的前几秒钟，对 用户是不透明的。 充电器控制器详解 下面我们用一个实际的控制器来举例，产品来自 Linear Technology ，型号是 LTC4062 ，是非常常见的单块锂离子电池充电器的控制器                             下图控制器的输入可以接 USB 口电压，其实还可以接更宽， 4.3V-8V 的输入电压都可以。充电电流 Ic 的大小可以从 0-1000mA 自行设定。     设定方法是调整图中红色电阻 Rp 的阻值，充电电流 Ic 等于 1000mA 除以这个电阻的阻值。当满足涓流充 电条件是充电电流自行降低到充电电流 Ic 的十分之一。                C/5 是可以在高低恒流充电状态切换，不设定时就以 Ic 充电，设定为 1 就以 Ic 的五分之一充电。刚才所说的“枚举” 过程 也是在 C/5 端口内部设计实现的，就不再介绍芯片内部的结构了                   Timer 是充电终止的计时器，有多种方式终止充电，第一种是 Timer 和 C/5 之间可以接电容 Ct ，接上以后充 电器将在 3 × 10 7 Ct 小时后停止充电。还有另外一种终止充电的方式，判断充电电流大小停止充电。     上图看着会不会眼熟？其实就是第二页介绍锂电池充电过程的实际测试结果，第一个涓流阶段由于横轴 很短所以没画出来，实际上这个过程一定存在。 手机电池使用中的 3 个误解 一：“电池用不用激活”？     答案是需要激活！但此过程在工厂中完成，用户没有能力完成。锂电池的激活过程是这样的：锂离子电 池打开壳 -- 灌输电解液 -- 封口 -- 化成，就是恒压充电，然后放电，如此进行几个循环，使电极充分浸润电解液充分活化，直至容量达到要求为止，这个就是激活过程 -- 分容，也就是说出厂后锂离子电池到用户手上已 经是激活过的了。另外，其中有些电池的激活过程需要电池处于开口状态，激活以后再封口，除非您拥有了 电芯生产设备，否则没法完成。 二：“手机需要每次把电用光再充吗”？     不少朋友认为，锂电池必须将电量用光，否则也有可能出现记忆效应，其实这个概念最早来自镍镉电池， 镍镉电池有记忆效应，如果不放尽电量，电池会随使用次数的增加而呈现出电量愈来愈少的状态，后来的镍 氢电池已经得到了改进，已经没有明显的记忆效应，因为镍氢电池还是会出现一定程度的晶格化导致容量降 低，仍然需要经常的彻底充放电来保持其正常的电量。而锂电池则基本上没有记忆效应，可以随时充放电而 不会影响电池的容量。 从另一个角度来讲，电池记忆效应是指电池的可逆失效，即电池失效后可重新回复的性能。而锂电池是不可 逆的，性能及容量只会随着使用而不断地减少，另外，消除电池记忆需要进行深充深放，也就是电池电压要 到达 1.0V ，手机不可能坚持到电池电压到 1V 时关机。      多年的事实证明放电深度达 99% 以上的锂电用维修电源能激活的也只有半数 , 其余半数报废！虽然我们用 手机不至于把电池用到深放电的电压范围，但也没必要每次都把电用到自动关机。   三：锂电池只能充放电 500 次     相信绝大部分消费者都听说过，锂电池的寿命是“ 500 次”， 500 次充放电，超过这个次数，电池就“寿 终正寝”了，许多朋友为了能够延长电池的寿命，每次都在电池电量完全耗尽时才进行充电，这也映证了第 二个问题的出现。     假设一次完全放电的电量是 Q ，一块电池的周期为 500 次，那么它在寿命中提供的总电量是 500Q ，如果 你每次都用光电，那么确实可以充 500 次，但如果你每次用了 50% 电量就充，那可以充 1000 次，以此类推， 但因为电池中电量过少电压过低并不好。     在第二页我们也说过，过低电压时出现大电流充电，或者充电电压高于 4.2V 很多都会给电池造成永久损 伤，所以电池还是随用随充最合理。 总结： USB 口给手机、 MP3 充电的过程的细节还有很多，使用的控制器在功能上也有区别，比如保护功能上，电 压变换采用的电路上，以及不同电芯的锂电池充电停止条件也不同，这方面做的规范的厂商固然很多，但山 寨厂的产品大都不顾及这些规范，所以买手机充电器或者 USB-HUB 时还是选择正规大品牌更好。

锂电池充电中的细节技术文档。                                  安全的锂电池充电过程     我们可以购买到的正规移动电源 / 电池，大都使用了锂电池，手机、平板、 mp3 、相机里面也都有锂电池。 准确来说是 “ 锂电池电芯 + 充 / 放电控制电路 ” ，因为锂电池电芯很脆弱，过低电压下放电、过高电压下充电 都会永久损坏电芯。比如充电电压 4.2V ，如果采用 4.25V 充电，电芯必坏无疑。     鉴于锂电池如此敏感，大部分充电电路都直接使用现成的芯片控制锂电池充放电过程。     充电的过程是这样：      1 、涓流充电阶段     先判断电池电压，如果电压低于最低电压则首先进行涓流充电。如果一开始电压就高于最低电压则直接 进入第二个阶段：恒流充电。     最低电压根据电芯不同有不同的设定，基本都在 2.5V-3.0V 之间。涓流就是小电流的意思，多小的电流 算小呢？ 0.06C -0.1C 就算涓流。     C 是什么 ？举例来说 2000mAH 的电池 1C 就是 2000mA ； 5000mAH 的电池 1C 就是 5000mA 。（大部分锂电池充电和放电都可以达到 1C ）；             2、 恒流充电阶段     涓流充电到电池电压高于最小电压后，充电器以恒定电流给电池充电，这个恒定电流就是很多充电器上 标注的多少多少安。比如 iPhone4/4S 是 1A ， iPad 是 2.1A 。           恒流充电的过程中，电池电压也在逐渐升高，从最小电压上升到 4.2V 时恒流充电阶段终止，恒流过程实 际能为电池充进 40%-70% 左右的电量。之后进入下一个阶段：恒压充电。   3 、恒压充电阶段 恒定 4.2V （ ± 0.35% 的精度）给电池充电，这个阶段里电流就不能维持恒定了，而是逐渐下降，当充电 电流下降至 0.1C 后充电过程结束。这个阶段实际上可以充进 60%-30% 的电量。所以一块 2000mAH 的电池用 1000mA 的充电器充电时即便没有热损失出现，时间也会大于 2 小时。如果把电压转换中产生的废热算上也许 实际充满电的时间超过 3 小时。 上图就是刚才所说的 3 个过程，所有锂电池充电时都要遵循这个规律，所以现在转而说到 USB 口给锂电池 充电，中间就需要有控制电路和电压转换电路，不然 4.5V-5V 的电压加在锂电池上，电池直接就损坏了。