在電池供電的射頻發射器中，例如車庫門開啟器和汽車的遙控無鑰匙進入，隨著電池耗盡，發射功率通常會下降。本應用筆記演示了將高效升壓或升壓轉換器與ISM發送器相結合，可在電池電壓范圍內保持發射功率恒定（變化小于0.5dB）。性能數據將表明，恒定發射功率的電池壽命是發射器的2倍，發射器的功率隨著電池電壓的下降而下降。電壓轉換器產生的交流電壓紋波不會降低幅度轉換鍵控（ASK）數據鏈路的質量，也不會違反美國和歐洲有關短程無線電鏈路的無線電發射標準。

介紹

短程發射器用于未經許可的ISM頻段的許多應用，例如歐洲的433.05MHz至434.79MHz，美國的260MHz至470MHz以及亞洲部分地區的類似頻率范圍。這些應用中的大多數都需要使用電池供電的小型變送器（例如，汽車鑰匙扣、車庫門和開門器、安全報警傳感器）。

當電池電量耗盡時，其電壓會降低，這反過來又會降低大多數廉價、低電流消耗變送器的輻射功率。輻射功率的損耗是由于許多短程發送器（如Maxim MAX1472）使用開關放大器以獲得最佳效率（參見Maxim應用筆記3589：“高效率低成本ISM頻段發送器的功率放大器理論”），開關放大器的發射功率大致隨電源電壓的平方而減小。這意味著由電池供電的發射器在其使用壽命內電壓從3V降至1.8V，其發射功率將降低到其起始功率的35%左右。實際上，傳輸功率損耗在4dB到5dB之間。

本應用筆記表明，將高效升壓轉換器（MAX1947）與ISM發送器（MAX1472）組合使用，可在電池電壓范圍內保持發射功率恒定（變化小于0.5dB）。這種配置還會將電池壽命縮短不超過 15%。文章還表明，電壓轉換器產生的交流電壓紋波不會降低幅度移鍵控（ASK）數據鏈路的質量，也不會違反美國和歐洲關于短程無線電鏈路的無線電發射標準。

調查

這項調查的目的是：

確定向變送器添加電壓轉換器是否能在典型的電池電壓范圍內保持恒定的變送器功率。

確定電壓轉換器對變送器系統整體效率的影響。

顯示恒定發射機功率和電池壽命之間的權衡。

測量電壓轉換器交流紋波對無線電鏈路質量的影響。

變送器和電壓轉換器的評估（EV）套件用于測量變送器恒定功率和高效率的實現程度。使用的發送器是MAX1472，工作在300MHz至450MHz頻率范圍。其電源電壓范圍為2.1V至3.6V，通常傳輸10mW或+10dBm，同時從2.7V電源吸收約10mA直流電流。用于這些測試的特定頻率為433.92MHz，這在歐洲和美國都是允許的。使用的電壓轉換器是MAX1947，升壓DC-DC轉換器，輸入（電池）電壓范圍為0.7V至3.6V。該轉換器使用外部電感器和具有內部開關的電容器對電感器充電，然后將能量傳輸到電容器和負載電阻。MAX1947具有工廠選擇的1.8V、2.5V、3.0V和3.3V輸出電壓。MAX1947ETA33（3.3V輸出）用于這些測量。對于高于輸出電壓的輸入電壓，MAX1947自動通過，無效。

MAX1472EVKIT經過修改，改變天線匹配網絡中的無源元件，在3.3V電源下產生+10dBm的發送功率。MAX1947評估板只需進行一次簡單的修改：將1.8V輸出IC作為評估板的標準值替換為3.3V輸出IC。連接評估板，MAX1947的輸入電壓（代表電池電壓）來自實驗室電源，電流表串聯。除電壓和電流測量外，還使用示波器、功率計和頻譜分析儀收集數據。

除上述組合評估板外，另外兩款Maxim發送器評估板用作性能基準：MAX1472“標準”評估板，采用2.7V電源時產生+10dBm的發送器功率;MAX7060EVKIT為頻率和功率可調的發送器，發送器功率為SPI可編程。

在第一組測試中，對四種不同的變送器配置進行了電壓、電流和變送器功率測量。繪制了功率和電源電流與電壓的關系圖，進行了效率計算，并計算了對電池壽命的估計影響。

在第二組測試中，MAX1947輸出電源上的紋波電壓記錄在示波器上，MAX1472發送器從MAX1947獲取電源。

在第三組測試中，記錄MAX1472發送的RF信號頻譜，用于輸入（電池）電壓的預期工作范圍。利用MAX7033EVKIT接收器建立ASK無線電鏈路，以確定電壓轉換器紋波對鏈路性能的影響。

結果摘要

發射機功率與電池電壓的關系

比較了四種功率放大器（PA）配置，以最少的電源電流消耗保持穩定的發射器功率輸出的能力。由于電源電流隨電池放電時的電池電壓而變化，因此通過計算典型電池（或一組電池）在100%占空比電流消耗下的使用壽命來比較配置的電流消耗。

基線配置：MAX1472匹配+10dBm Tx功率，2.7V。

該配置未進行測量，因為它是MAX1472EVKIT的標準配置，典型數據在MAX1472數據資料的典型工作特性（TOC）中給出。相關電池（電源）電壓下的性能如下表1所示。

表1顯示了DC-DC轉換器應消除的發射器功率隨電池電壓的變化。當電池電壓從3.6V降至2.1V時，發送器功率下降5.6dB，這是MAX1472的最大和最小額定電壓。+10dBm的額定發射功率出現在電壓范圍的中間附近。因此，當電池新鮮時傳輸過多的電力，而當電池接近其使用壽命時，傳輸的電量不足。

使用DC-DC轉換器的恒定變送器功率

本研究表明，升壓轉換器可以與標準Maxim發送器結合使用，以實現恒定的+10dBm發射功率。選擇用于組合的升壓轉換器是MAX1947，出廠設置為3.3V輸出。因此，便攜式設備最常用的兩種電池（CR2032紐扣電池，兩節AAA串聯電池）的電池電壓將低于轉換器的輸出電壓。如果電池電壓超過3.3V，MAX1947只需將電壓通過即可。

MAX1472匹配+10dBm Tx功率，在3.3V電壓下

由于施加到MAX1472發送器的電源電壓為3.3V，因此必須改變MAX1472EVKIT上的匹配網絡以產生+10dBm的發射信號。表1顯示，標準匹配產生+12.2dBm的發射信號，該信號過高，會消耗過多電流。圖1所示為433MHz評估板中2.7V +10dBm匹配的元件值，以及采用3.3V電源時為達到約+10dBm而選擇的修改元件值。

圖1.MAX1472的匹配網絡，采用2.7V和3.3V電源。

表2的格式與表1相同，但它顯示了3.3V +10dBm匹配的發射功率和電流消耗與電源電壓的關系。

表2顯示，這種新的匹配網絡在3.3V時產生+9.4dBm，略低于+10dBm目標，但足以進行本研究。可以進一步調整匹配的網絡分量值，以略微提高發射功率，并更好地抑制434MHz載波的二次和三次諧波。至少需要46dB的諧波抑制才能滿足歐洲發射法規;圖1所示的電路拓撲可以通過正確選擇元件值來實現這一點。

請注意，每個電源電壓下的電流消耗低于2.7V匹配時的電流消耗。另請注意，2.1V時的功率僅為+5.2dBm，而不是2.7V匹配時的+7.4dBm。當電池電壓從3.6V降至2.1V時，發射功率仍會降低約5dB。

MAX1472與MAX1947升壓轉換器配合使用時匹配3.3V

將MAX1472和MAX1947組合用于功能測試變得容易，每個器件都使用評估板。為了識別信號名稱和連接，兩款評估板的原理圖如圖2所示。工作臺上的連接圖（圖3）說明了將這兩塊評估板組合在一起的簡單性。

圖2.MAX1472和MAX1947評估板原理圖

更詳細的圖像 （PDF， 888kB）
圖 3.MAX1472和MAX1947評估板的實驗室設置

MAX1947可將直流電壓從低至0.7V升壓至3.3V輸出。因此，表3所示數據從低至1.8V的輸入電源電壓開始，這是常用電池配置中可用的最低電壓。這種配置為MAX1472發送器的用戶提供了額外的好處：有效的電池電壓范圍從2.1V擴展至1.8V。

使用MAX7060的恒定發射功率

使用Maxim的300MHz至450MHz發送器，用戶已經可以使用MAX7060在電源電壓范圍內設置恒定的發射功率。MAX7060為可編程發送器，可通過SPI或單個引腳進行控制，以改變發射頻率、發射功率和調制特性。通過設計適當的匹配網絡并選擇單個功率設置，可以傳輸功率略有變化或根本不變化的信號。

那么，人們可能會問，為什么使用另一個Maxim變送器來實現恒定功率很重要呢？答案很簡單：因為MAX7060適用于需要高性能的應用，如頻率捷變、頻繁功率調節和額外的發射功率（+13dBm與+10dBm）。MAX7060功能更強大，MAX1472功能更簡單，兩者之間的權衡是總電流消耗。MAX7060比MAX1472具有更多的特性和更好的性能，但功耗更高。因此，MAX7060最適合電源比小型廉價電池更堅固耐用的應用。這就引出了另一種可能性：MAX1472可以增加一個簡單但重要的特性，如電池電壓恒定功率。

給出了MAX7060的發射功率和電流消耗與電池電壓的變化，以顯示低發射功率變化和高電流消耗之間的權衡參考點。四種放大器配置（MAX1472匹配為2.7V，MAX1472匹配為3.3V，MAX1472和MAX1947以及MAX7060）的組合結果說明了性能差異。

表 4 的格式與表 1、2 和 3 相同。顯示發射功率和電流消耗與MAX7060電池電壓的函數關系。MAX7060的發射功率設置固定在比最大功率設置低2dB。當電池電壓從 2.4V 增加到 3.6V 時，此設置可使功率幾乎恒定（<降低 1dB），當電壓降至 2.1V 時，再損失 1dB。

變送器功率和負載電流變化的比較

圖4和圖5顯示了前四個表中的Tx功率和電流消耗信息。很明顯，MAX7060與MAX1472和MAX1947的組合在電源電壓范圍內表現出最小的Tx功率變化。由于MAX1947可以工作在1.8V電壓，MAX1472和MAX1947的數據擴展到1.8V。

圖4.四種發射機配置的發射機功率與電池電壓的關系。

圖5.四種發射器配置的直流電流消耗與電池電壓的關系。

圖5顯示了保持低發射功率變化而增加的電流消耗成本。MAX7060具有最高的漏電流，部分原因是它是更高Tx功率器件。MAX1472匹配為3.3V，具有最低的電流與電池電壓的關系。在3.3V及以上時，它與MAX1472和MAX1947組合具有相同的漏電流，因為MAX1947轉換器以最小的電流消耗旁路電源電壓。最相關的漏電流曲線是MAX1472與2.7V匹配的曲線以及MAX1472和MAX1947組合的曲線。兩種方案在2.7V（電池范圍的中間）下產生目標+10dBm Tx功率，在2.7V時消耗幾乎相同的電流。有趣的是，“基線”發送器（MAX1472與+10dBm 2.7V匹配）的負載電流隨著電池電壓的增加而增大，而恒功率發送器（MAX1472和MAX1947組合）的負載電流隨著電池電壓的增加而下降。此行為表明這兩種實現將具有相似的電池壽命。

電池壽命示例：三種發射機配置，帶兩節 AAA 電池

勁量? E92 堿性 AAA 電池的電池規格與本說明中描述的發射器配置的電流消耗信息一起使用。目的是比較配置對電池壽命的影響。對于低于25mA的穩定電流，這種特殊的AAA電池的容量約為1200mAh，對于超過100mA的穩定電流，容量降至1000mAh以下。電池公司通過顯示行業標準使用配置文件（如圖6所示）的測試結果來詳細說明這一單一數字規范。

圖6.勁量 E92 AAA 電池的行業標準電池壽命測試數據。

使用這種電池電壓與時間的關系曲線有兩個優點。首先，這些測試中顯示的所有漏電流條件均高于Maxim ISMRF發送器通常消耗的5mA至20mA電流。盡管如此，磁帶游戲數字音頻測試每天一小時消耗100mA。低占空比抵消了一小時的高電流消耗，因此每天消耗的平均電流略高于4mA。這會產生電池電壓隨時間變化的曲線，其形狀應與穩定的10mA電流消耗產生的形狀相同。

使用此配置文件的另一個優點是，水平軸上的一小時相當于 100mAh 的容量（圖 6 和圖 7）。因此，可以重新標記水平軸，以顯示電池容量已用電量與電池電壓的函數關系圖。例如，當電池電壓從1.5V下降到1.4V時，大約消耗了75mAh。當電壓降至1.0V時，大約消耗了975mAh。

圖7.使用的電池容量與電池電壓的關系。

將上述信息與圖5和表1至表4所示的每個接收器配置的電池電流與電池電壓的關系一起使用，以創建表5和表6，兩者都與電池電壓相關聯。

表 5 假設兩節 AAA 電池串聯連接，使電壓范圍加倍并保持相同的電池配置文件。表中的第二列根據圖7的分布將1050mAh的總電池容量劃分為3.0V至1.8V范圍內每0.3V電池范圍的間隔。電池壽命計算的重要數字是最右列中的增量容量。表6的漏電流信息與表1、表3和表4相同，不同之處在于每個電壓范圍的電流是該范圍內高電壓和低壓下的電流平均值。

現在，每個變送器配置在其電壓范圍內的電池壽命可以通過將每個0.3V范圍的增量電池容量除以該電壓范圍內的電流消耗（mAh/mA = h = 小時）并將小時相加來計算。這些計算的結果如表7至表10所示。

表7很有用，因為對于每個300 mV電池電壓間隔，當電池電壓在該間隔內下降時，它將每種配置消耗的平均電流轉換為電池的增量壽命。可以根據“有用”的定義調整此信息以比較有用的電池壽命。下面舉三個例子。前兩個示例通過每種配置保持最小發射器功率的能力來定義有用的電池范圍。最后一個示例消除了最小發射器功率限制，并比較了每種配置達到其最小工作電壓所需的小時數。

在比較電池壽命之前，重要的是要指出，這些練習中計算的使用壽命小時數僅用于比較目的。它們遠低于典型操作中這些配置的使用壽命，因為它們來自圖7中的曲線，該曲線基于每天從電池吸收100mA電流一小時。對于基于這些變送器的產品，更現實的工作曲線是每天大約30秒的10mA至15mA的有效電流消耗（如遠程無鑰匙進入、車庫門開啟器和安全報警傳感器）和約5μA的待機電流消耗。這將使下面計算的使用壽命小時數增加 500 到 1000 倍，具體取決于待機電流。

+10dBm（最小值）發射器功率下的電池壽命

圖4中的發送器功率曲線顯示，表7中的基線配置，即MAX1472直接連接到電池，阻抗匹配以在2.7V時產生+10dBm，當電池電壓降至2.7V以下時，無法滿足+10dBm發送器功率的最低要求。圖4還顯示，MAX7060配置保持+10dBm發送器功率，直到電池電壓降至2.4V以下。因此，表8是表7的修改版本，顯示MAX1472和MAX1947組合的電池壽命為87小時，而MAX7060為31.75小時，MAX1472為9.85小時。

+9dBm（最小值）發射器功率下的電池壽命

表9顯示了當最小發射機功率要求放寬至+9dBm時的電池壽命比較。現在，直接連接電池的MAX1472可以工作在2.4V以下，將電池壽命延長至47.9小時。MAX7060可以工作在低至2.1V的最小工作電壓。這將電池壽命提高到 66.78 小時。兩種配置均未達到MAX1472和MAX1947組合的87小時。

電池壽命至最低器件電源電壓

表10顯示，當取消所有發送器功率限制后，直接連接到電池的MAX1472可提供最長的電池壽命（102.77小時）。然而，在其電壓范圍的低端，其發射功率降至+8dBm以下。MAX1472和MAX1947組合提供87小時的電池壽命，是單獨使用MAX1472電池壽命的85%。MAX7060保持至少+9dBm的發送器功率，但提供66.78小時的電池壽命（約為MAX1472和MAX1947組合的77%），因為它設計用于更高的發射功率，并且使用效率較低的方式來實現恒定的發射功率。

這些測量結果表明，在MAX1472等簡單的ISM發送器上增加升壓型DC-DC轉換器，可以在較寬的電池電壓范圍內保持恒定的發射功率（0.5dB以內），而與簡單的MAX1472發送器相比，在電池壽命內發射功率下降4dB，僅犧牲15%的電池壽命。鑒于這些發射器的大多數應用的占空比非常低，以至于器件中的待機電流占電池壽命的很大一部分，因此電池壽命的實際減少可能更低。

結果：電源紋波和ASK無線電鏈路的質量

到目前為止，只解決了直流電流消耗和發射功率變化之間的權衡問題。將高效（> 80%）升壓轉換器與具有精心選擇的阻抗匹配的發射器相結合，可以產生恒定功率發射器，在電池的使用壽命內平均電流消耗略高，這并不奇怪。同樣（如果不是更重要的話）重要的是電壓轉換器產生的交流紋波對傳輸信號質量和ASK通信鏈路完整性的影響。

用于本研究的DC-DC轉換器是一種升壓或升壓轉換器，它使用臨時接地的外部電感器從電池中吸取電流。之后，電感通過并聯平滑電容器切換到負載。開關功能的頻率和占空比取決于電感、電容和消耗的電流。高效 （>80%） DC-DC 轉換器有很多類別，與效率較低的線性穩壓器相比，它們以高交流紋波電壓而聞名。

這一系列測試表征了紋波（VP-P和頻率）并確定其對傳輸信號的影響。

3.3V發送器電源電壓與輸入（電池）電壓的紋波關系

MAX1472評估板連接MAX1947ET33 （3.3V輸出電壓），如圖3所示。MAX1947的電池電壓輸入范圍為1.8V至3.3V（高于3.3V時，MAX1947剛好通過輸入電壓）。示波器探頭連接到MAX1947評估板的OUT測試點，并檢查每個電源的紋波特性（V巴特） 設置已記錄。表11顯示了峰峰值幅度和紋波周期。紋波波形為鋸齒波，這是使用閾值反饋過程而不是占空比控制轉換器的遲滯轉換器的特征。

隨著輸入電壓的增加，紋波幅度從大約75mV增加到150mV;頻率從大約20kHz降低到5kHz。紋波幅度可以通過改變負載電容值來減小。圖8和圖9顯示了電池電壓為1.8V和3.0V時的紋波走線（升壓比最高和最低）。

圖8.DC-DC 轉換器輸出紋波電壓，用于 1.8V 至 3.3V 轉換。

圖9.DC-DC 轉換器輸出紋波電壓，可實現 3.0V 至 3.3V 轉換。

發射器直流電源上的紋波對無線電鏈路有兩個潛在的有害影響：首先，發射頻譜的擴展;其次，將紋波從電源傳輸到接收器中解調的ASK頻譜。

這些測試表明，即使是強電源紋波（100mV）P-P）似乎沒有明顯傳播或提高發射頻譜。它也不會降低遠高于靈敏度水平的信號的接收。雖然無法進行靈敏度級別的測量，但似乎適當的數據過濾將防止紋波降低靈敏度。

結論和建議

MAX1472發送器和MAX1947升壓轉換器的組合實現了在電池電壓范圍內保持恒定發射功率的理想目標。在要求最小發送器功率為+10dBm的情況下，MAX1472和MAX1947組合的電池壽命幾乎是簡單發送器的9倍。即使允許最小發射功率降至+9dBm，電池壽命也幾乎增加了一倍。

與在典型電池壽命期間發射功率降低 4dB 的簡單發射器相比，這種組合的效率約為 85%。它表現為變送器功率與直流功率的比率，其中帶轉換器的變送器效率約為不帶變頻器的效率的85%。這也體現在電池壽命的計算中，當發射功率隨電池電壓下降時，恒定傳輸功率電池壽命正好是電池壽命的85%。

在必須在整個電池壽命內保持發射器功率的情況下，最壞的情況是電池壽命縮短15%。實際上，這種權衡小于15%，因為大多數便攜式發射器應用具有低占空比，待機電流將占電池消耗的很大一部分。

交流紋波是高效電壓轉換器的副產品，會降低發射器頻譜，但不足以降低ASK無線電鏈路的質量，也不足以違反FCC（美國）或ETSI（歐洲）的發射限制。此外，可以使用交流紋波幅度低得多的其他類型的高效電壓轉換器，這將使頻譜貢獻在大多數短程無線電鏈路中不明顯。

目前，采用本應用筆記中的器件或類似器件的雙芯片解決方案現已上市。這兩款器件的占位面積都很小（3mm x 3mm），在現有發送器電路中增加電壓轉換器后，外部元件數量僅增加了三個。這兩個功能器件可以組合成一個IC，從而進一步節省成本、面積和元件數量。

審核編輯：郭婷