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