中心议题：
- 无线网卡输入电源的设计
解决方案：
- 超级电容与降压变换器不同方式下配合使用
- 采用输出电流为2A的降压变换器
- 采用输出电流低于1A的降压变换器
利用插接在便携式笔记本电脑上的无线网卡连接互联网的应用越来越广泛。通常，无线数据网卡使用双模的无线射频模块，如EDGE/WCDMA，GPRS/WCDMA，CDMA/WCDM等。这些网卡基于USB/PCMCIA/PCIE接口与笔记本电脑之间进行高速双向的数据传输，同时笔记本电脑也要通过这些接口向无线数据网卡提供电源。CDMA/WCDMA在射频模块发射工作时不会有很大的脉动负载，GSM、GPRS和EDGE平均工作电流很小，但在射频模块发射时，瞬态电流达到2A。但这些接口的电源管理输出通常有最大电流限制，这对无线网卡输入电源的设计提出了特定要求。
双模射频模块和接口电源的特点
射频模块工作于CDMA/WCDMA时，发射的峰均比值即峰值功率与平均功率的比值小，负载脉动小。射频模块工作于GSM、GPRS等模式时，发射的峰均比值大，瞬态峰值电流值很大，因此负载脉动大。
GSM和GPRS的class 2和class 8的发射突发时间为577μS；GPRS和class 10的发射突发时间为1.15ms；GPRS的class 12的发射突发时间为2.3ms。GPRS的class 10和class 12通常要求电源在发射突发期间能提供2A峰值电流，平均电流大约为0.6A，在两个峰值间抽取电流为0.1A。GPRS的class 10发射要求的脉冲宽度1.154ms，脉冲峰值电流最大值2A，占空比为25%，并在此期间能进行全功率发射。GPRS的class 12发射要求的脉冲宽度2.308ms，脉冲峰值电流最大值2A，占空比为55%，在此期间也要能进行全功率发射。很明显，对于GPRS的class 10和class 12，峰值电流脉冲时间很长，因此设计要求也更严格。
USB的接口电源电压额定值为5V，而PCMCIA和PCIE的接口电源电压额定值为3.3V，射频模块的电源电压一般设定在3.75V。当用USB的接口时需要降压变换器从5V得到3.75V，当用PCMCIA和PCIE的接口时需要升压变换器从3.3V得到3.75V。本文将讨论基于USB接口无线网卡供电电源的设计，基于PCMCIA和PCIE接口无线网卡供电电源的设计的基本原则与其类似。
USB接口输出的电压为5V，允许的范围4.75V到5.25V，最大允许输出电流为500mA。射频模块在发射突发期间需要2A的峰值电流，远远大于USB接口规定所允许的500mA的输出电流。负载的所需要的稳态电流主要用于基带芯片和其它的一些数字逻辑芯片，若稳态电流为Ibase，峰值电流为Ipeak，峰值电流占空比为D，则电源所要求的平均输出电流Iave为：
Iave＝Ibase+D×Ipeak
对于GPRS的class 10，当Ibase=0.05A，Ipeak=2A，D=25%时，电源所要平均输出电流为0.55A。
电源方案设计
无线网卡的电源通常要用到超级电容，即电容值为几个或几十个mF的钽电容。超级电容储存很多能量，能负载传输很高的功率，并平滑电压纹波。超级电容与降压变换器有不同的配合使用方式，这就决定了其电源设计的结构不同。
1.采用输出电流为2A的降压变换器
如果直接用降压变换器全额输出为射频模块供电，则要设计一个输出电流为2A的降压变换器(图1a)。
图1：(a)采用输出电流为2A的降压变换器的设计方案； (b)具有动态输入电流限制的设计方案。
输出电流为2A的与降压变换器可以在射频模块工作于发射突发期间提供足够的电流，因此输出电容COUT可以不用超级电容。但是，当输出电流为2A时，输入电压具有很大的纹波，输入电压的最低电压必须大于降压变换器的最小工作电压Vcc(Min)，降压变换器才能正常工作。为减小输入电压的下降，输入端要采用超级电容，CIN值可用下式计算：
USB接口的电源线电容不能大于10uF，否则在上电的过程中电容充电相当于瞬态短路。电容越大，短路时间越长，大输入浪涌电流持续的时间就越长，这样将导致USB口关断，引起系统的关机或蓝屏死机。因此，必须在USB输出和降压变换器间之间采用限流器，即负载开关(如AOZ1300)。负载开关的输入(即USB输出的电容CUSB)可以采用4.7~10uF电容，负载开关的输出(即降压变换器输入)采用超级电容。负载开关提供USB输出电流的限流保护，超级电容用于保证降压变换器最小工作电压。
这种方法由于使用2A的降压变换器，而系统平均电流只有0.55A，所以降压变换器处于严重的浪费状态，而且需要的功率电感和MOSFET的体积大、成本高。另外，在降压变换器输入端需要用较高额定电压超级电容。因此，在体积受到限制的手持系统中，通常不采用这种方案。
2.采用输出电流低于1A的降压变换器
当采用输出电流为0.6A的降压变换器时，由于输出稳态电流小，所以超级电容需要放在输出端。当射频模块工作于发射突发期间时，降压变换器进入过流保护，停止工作。超级电容放电维持射频模块发射所需要的全部能量。电路框图同图1a。超级电容值用下式计算：
其中，VOUT(Min)为额定输出电压的最小值，VRF(Min)为射频模块要求的最小工作电压。请注意，连接在降压变换器输出端的超级电容可以采用较低额定电压，但要求的容值大于每一种方案。
同样，降压变换器输入电压的最低电压必须大于其最小工作电压Vcc(Min)，因此CIN值可用下式计算：
由于稳态的输出功率低，CIN为22~100uF就足以满足要求。USB的输出电CUSB可用4.7~10uF电容。此外，对于降压变换器，由于输出电容大，起动过程中存在持续时间长的大浪涌电流，因此必须用较长的软起动时间以减小浪涌电流，同时采用更低的折返频率功能，防止占空比和电感磁通失控，从而电感饱和损坏芯片。
对于这种架构，有时负载开关会连接到降压变换器输出（图2），然后射频模块连接到负载开关，这样降压变换器就只能用较小的输入电容。这将导致输入电压纹波大，尤其是其输出瞬态过载时，输入电压的最低点可能低于其最小工作电压Vcc(Min)，系统将关断而复位重新起动，因此也不建议采用这种方式。
负载开关连接在降压变换器的输出端。
3.动态输入电流的限制
负载开关(如AOZ1300)主要用于提供输入限流保护，通常当通过负载开关的电流大于其设定的限流值时，负载开关或者关断输出，或者采用恒流输出。采用恒流输出可以降低输入的电压纹波，但其工作于线性状态，功率损耗大，系统的效率低。
如果在降压变换器中采用恒压和恒流切换控制，正常工作时采用恒压模式，瞬态大电流时采用恒流模式，以实现动态输入电流限制，这样恒流及限流也是工作于开关状态，因此功率损耗小、系统的效率高。恒流及限流值ICL为：
图1b所示电路需要用二个运放，A1用于检测输入电流，A2用于隔离电压和电压反馈信号，以保证电压和电压反馈信号中只有其中的一个信号参与系统的反馈工作。二极管D防止运放A2的输出管脚出现灌入电流。请注意，在输出瞬态过载时，降压变换器工作于恒流及限流模式，但仍输出电流。在输出瞬态过载期间，降压变换器仍可以提供一定比例的输出电流给射频模块，因此所需的输出超级电容值可以减小。若限流值为0.5A，则输出超级电容值可以减小25%。
