GPS 技術正在越來越多地與低功耗模式結合在一起，也就是說，這些微型器件現在可由太陽能電池供電。 例如，由來自美國、澳大利亞、英國和中國的公司組成一個名為 Retrievor 的聯合體正通過眾包形式籌資來開發硬幣大小的 GPS 跟蹤設備。 小型自供電 GPS 系統利用 Android 或 Apple iOS 應用提供位置信息，可用于跟蹤貴重物品，甚至是寵物。

Retrievor 設備的直徑為 28 mm （1.10“），厚 10 mm （0.39”） 并在模塊中集成天線，以減小自身體積。 該裝置采用 SiRFstarIV GPS 處理器，可用于各種挑戰性 GPS 環境，如室內跟蹤，或者用于終端用戶移動的情況。 這一高水平 GPS 性能源自創新的 GPS 固件，能夠探測周圍環境變化、溫度、衛星信號，并在任何可能的情況下更新內部數據，進而提供幾近連續的導航功能。

圖 1：硬幣大小的 Retrievor GPS 接收器。

Retrievor 接收器所需的電源來自集成式太陽能板和向 3.7 V 鋰離子電池供電的移動充電器，也可通過微型 USB 充電。 用戶定義的 ping 速率可在每秒至每天一次之間調節，因此 Retrievor 可能從來就不需要充電。

構建 GPS 接收器

集合了 RF 和天線的高度緊湊型模塊可與能量收集變送器、電源管理器組合在一起，形成一個獨立于電源的同類小系統。 在認真考慮了系統功耗預算后，太陽能電池（如 Sanyo 的產品）就能滿足所有的電源要求。 在這些小體積情況下，避免 RF 布局帶來的各種問題也至關重要，否則會增加功耗，致使能量收集源不足。

M10478 來自 Antenova，是一款高度集成的 GPS RF 天線模塊，適用于 L1 頻帶 GPS 和 A-GPS 系統。 該器件處采用與 Retrievor 接收器相同的 SiRFstarIV GPS 架構外，還結合了 Antenova 高能效天線技術，旨在提供一個適于 GPS 接收的最佳輻射圖。

圖 2：M10478 GPS 模塊框圖。

所有前端和接收器元件均置于單一封裝的層壓基材模塊中，形成一個滿足最佳性能要求的完整 GPS 模塊。 M10478 采用單路 1.8 V 正電源，其功耗更低且具有能進一步節能的多種低功耗模式，因此可由太陽能電池供電型 3.7 V 鋰離子電池為其供電。 精確的 0.5 ppm TCXO 保證了移動應用具有很短的首次定位時間 （TTFF）；該模塊采用獨立的軟件支持，兼容 UART、SPI 和 I2C 主處理器接口。

涓流電源 （TP）

該模塊具有可降低功耗、實現量收集源的“涓流電源”工作模式。 該模塊可進入占空比模式降低平均電流功耗，但仍保持高靈敏度、高性能，以確保其接收微弱信號。

正常條件下，該模塊在 TP 模式下一般滿功率工作 100 - 900 ms 并進行一次定位，然后進入持續 1 - 10 s 的較低功耗待機狀態。 有時（通常為每 1800 s），該模塊會重新進入滿功率模式更新星歷數據。

在 TP 模式下時，如果信號條件惡劣（低于 30 dB-Hz），該模塊會自動切換至滿功率模式，以提升導航性能， 當信號條件恢復正常時再次進入 TP 模式。 這樣會形成多變省電狀態，但對于固定輸出速率來講，則可獲得更可靠的性能。 采用 TP 模式的應用工作時與采用滿功率模式的應用類似，但在強信號條件下會顯著降低功耗。

圖 3：Antenova 的 M10478 GPS 模塊內置天線系統。

至于必須單獨添加天線的設計， SG 系列 GPS 接收器模塊（ Linx Technologies 產品）便是一款采用板載 LNA 和 SAW 濾波器的自保持式高性能 GPS 接收器。 該器件基于 SiRFstar III 芯片組，擁有高靈敏度和很低的功耗，有助于最大限度地延長能量收集應用的運行時間。 SG 系列擁有超過 20 萬個有效相關器，即使在最低信號水平下也能在數秒之內同步搜索并跟蹤多達二十顆衛星。

該接收器采用兼容回流焊的緊湊型 SMD 封裝，無需進行編程或者增加 RF 元件（天線除外）就能形成一個完整的 GPS 解決方案。 通過簡單的串行命令便可方便地配置五個 GPIO，再加上該模塊的標準 NMEA 數據輸出，即使以前沒有任何 RF 或者 GPS 經驗的工程師也能輕松進行集成。 GPS 內核能自動處理所有必要的初始化、跟蹤和計算任務，無需編程。 RF 部分針對低水平信號進行了優化，因此任何類型的器件在生產時也不需要調節。

默認情況下，SG 系列滿功率模式工作，但也內置了功率控制模式，這一模式在采用能量收集源時稱作自適應涓流電源模式。

天線注意事項

SG 系列可采用各式各樣的外置天線。 該模塊提供調節式功率輸出，可簡化 GPS 天線的使用，但需要外部電源。 這給設計人員帶來極大的靈活性，但是為了確保獲得最佳性能，必須認真選擇天線。

微型便攜式設備可用在各個變化方向上，因此，相比具有高增益以及相應地波束更窄的天線元件，外形寬且統一的天線元件能獲得更好的總體性能。 相反，對于采用固定安裝方式且該方式可預見的天線，如果其外形和增益特性適合目標應用，則有助于發揮天線性能。 在實際解決方案中評估多個天線解決方案，是快速確定哪種天線最滿足應用要求的好辦法。

用于 GPS 時，天線應具有良好的右旋圓極化 （RHCP），以匹配 GPS 信號極化方式。 陶瓷片天線是最常見的天線類型，有著許多不同的形狀、大小和款式。 無源天線僅是一種調諧至正確頻率的天線，而有源天線則在天線前和模塊后增加了一個低噪聲放大器 （LNA），用于放大微弱的 GPS 衛星信號，但功耗要超過能量收集源的供給，因為 VOUT 線路在 30 mA 時向該外部 LNA 提供 2.85 V 電壓。

在天線和模塊之間保持一條 50 Ω 的路徑極為關鍵，因為布局方面的誤差可能會顯著影響模塊性能。 雖然該模塊的設計使得集成工作簡單明了，但仍需特別注意 PCB 的布局，這點十分重要。 如果不能采用良好的布局技術，將會大大削弱模塊性能，導致芯片在對較低性能進行補償時增大功耗。

布局的主要目的是在從天線到模塊的整條路徑上保持穩定的 50 Ω 特征阻抗。 模塊應盡可能與 PCB 上的其它元件合理隔離，尤其應與晶體振蕩器、開關電源、高速總線等高頻電路隔離，使 RF 和數字電路位于 PCB 上的不同區域。

PCB 印制線不應穿越模塊下方，這點很重要，否則在設計如此小的系統時會造成很大麻煩。 在模塊所處的 PCB 層上或該模塊下方不應有任何銅線或者印制線，即保持裸板狀態。 模塊下方有印制線可能會造成與產品電路板上的印制線發生短路或者耦合。

將一塊大型連續接地層置于與模塊相對的下一層，以形成一個低阻抗返回路徑，用于接地以及保持穩定一致的帶狀線性能。 印制線應盡可能短，也不穿過模塊或任何其他元件下方將會有很大幫助，因為利用貫穿孔在多個 PCB 層上為天線印制線布線時會增加電感。 相反，應利用多個貫穿孔應將接地層和元件接地連在一起。

對于小型設計，通常會將產品密封，可以使用各種各樣具有不同電氣特性的灌封料。 因為此類灌封料能嚴重影響 RF 性能和產品的再加工或者保養能力，所以，設計人員應謹慎選擇，找到合格的材料。

電源管理

當 RF 部分以及 GPS 主內核掉電時，該模塊能從向 SRAM 存儲器和 RTC 供電的后備電池獲取電源。 這樣，該模塊就能在供電恢復前具有更快的 TTFF。 存儲器和時鐘電流消耗約 10 μA，因此采用太陽能電池作為電源是可行的。

這還意味著，小型鋰離子電池足以為這些功能部分提供電源。 這樣會大幅減少功耗，延長主電池使用壽命，同時在模塊電源恢復時快速進行定位。 與能量收集有關的問題之一是，模塊需要一個潔凈、穩壓性能良好、噪聲低于 20 mV 的電源，因為電源噪聲會嚴重影響接收器靈敏度。

例如 LTCR3108 器件（Linear Technology 產品），該器件屬于高度集成的 DC/DC 轉換器，并針對收集、管理來自極低輸入電壓源的多余電能進行了優化。 這樣，就能從用于硬幣大小 GPS 接收器的小型太陽能電池獲取電能，因為這種升壓拓撲結構能在低至 20 mV 的輸入電壓下工作。

LTC3108 具有大小在 2 Ω 至 10 Ω 之間的最小輸入電阻（負載），具體由輸入電壓決定。 輸入電壓降低時輸入電阻增大，因此，LTC3108 利用幾個歐姆大小的源電阻就能對電源的功率傳輸進行優化。 帶載情況下提供較高的輸入電壓時，較低的源電阻始終能實現更大的輸出電流能力。

圖 4：LTC3108 能量收集電源管理器可管理連接太陽能電池的接口。

在成熟的架構中增加一個唯一的 VOUT 選項即可實現這一功能。 該 2.2 V LDO 向外部處理器供電，而主輸出則經過編程后用作四個固定電壓中的一個，向 GPS 接收器供電。

LTC3108 也能管理一個系統中多個輸出的充電和調節，其平均功耗很低，但在 GPS 接收器在位置輪詢時會產生較高的周期性負載電流。 電源管理器基于一個 MOSFET 開關，利用一個外部升壓變壓器、一個小型耦合電容器組成了諧振升壓振蕩器。 這樣，電源管理器就能將最低 20 mV 輸入電壓提升至一個足夠高的水平，以提供多路穩壓輸出，向其它電路供電。 振蕩頻率由變壓器二次繞組的電感決定，且通常為 10 kHz 至 100 kHz。

可編程輸出

主輸出電壓 VOUT 由 VAUX 電源充電，用戶可通過電壓選擇引腳 VS1、VS2 對該電壓編程，使其成為四路穩壓中的一路。 雖然 VS1 和 VS2 的閾值邏輯電壓的典型值為 0.85 V，但建議將其接地或者連接至 VAUX。

當輸出電壓稍稍降至穩壓值以下時，只要 VAUX 大于 2.5 V 就可產生充電電流。一旦 VOUT 達到合適的值，該充電電流即被切斷。 VOUT 由內部可編程電阻驅動器設定，因此不需要阻值很大的外部電阻器，且這種外部電阻器易受板泄露和功耗的影響。

電源監視

電源良好比較器也用于監視電壓 VOUT。 這是一個開漏輸出，帶有可達到 LDO 電壓的弱上拉電阻 （1 MΩ）；該輸出會在 VOUT 充電至其穩壓值的 7.5% 以內時升高。 如果 VOUT 下降超過 9%，那么 PGOOD 將降低，以向微處理器發出信號；PGOOD 用于驅動芯片 I/O，而不是驅動如 LED 等較大電流負載。 PGOOD 信號也可用于當 VOUT 達到穩壓值時，喚醒處于休眠狀態的微處理器或其它電路。

VOUT2 可由主機通過 VOUT2_EN 引腳接通和關斷。 當 VOUT2 被啟用時，會通過一個 1.3 Ω 的 P 溝道 MOSFET 開關連接至 VOUT。 這個由主處理器控制的輸出可用于向外部電路供電，如沒有低功耗休眠或關斷功能的傳感器、放大器。

把 VOUT2 上的去耦合電容降至最小，能使其更快速開關，進而縮短猝發時間，故能在無線傳感器和發射機的脈沖應用中實現更小的占空比。 小型 VOUT2 電容器也能在 VOUT2 每次啟用時將電容中充電過程中的電能浪費降至最少。 VOUT2 有一個約為 5 μs 的軟啟動時間，用以限制充電電流，并在 VOUT2 被啟用時最大限度地減小主輸出的毛刺。 此外，還有一個可將峰值電流降至 0.3 A（典型值）限流電路。 VOUT2 使能輸入的典型閾值為 1 V、滯后為 100 mV，因此能兼容邏輯電路。

GPS 專用芯片

另外一種選擇便是 GPS 專用芯片，而非模塊。 MAX2741 L1 波段 GPS 接收器 IC 的總電壓增益為 80 dB，級聯噪聲系數為 4.7 dB，能在針對室內跟蹤解決方案且要求 -185 dBW 的各種應用中達到接收器靈敏度。

這一雙路轉換接收器能將 1575.42 MHz GPS 信號首先降頻轉換至第一 37.38 MHz IF，然后轉換至第二 3.78 MHz IF。 采用集成式 2 位或 3 位 ADC（1 位 SING，1 位或 2 位 可選 MAG）對第二 IF 進行采樣，并向基帶處理器輸出數字化信號。 集成式頻率合成器有助于靈活地進行頻率分配，從而能針對 2 MHz 至 26 MHz 基準頻率采用單板設計。 由于采用集成式基準振動器，因此可在 TCXO 或晶體模式下工作。

圖 5：MAX2741 GPS 接收器 IC。

該接收器采用 2.7 V 至 3.0 V 電源，在激活狀態下電流消耗僅 30 mA，因此可采用能量收集源。 該器件采用 28 引腳 QFN 封裝，能在 3 V 電壓下以及此類小體積、高集成度接收器設計中在 -40°C 至 +85°C 溫度范圍內工作。

結論

利用最新的 GPS 和電源管理 IC、模塊和天線設計，我們能開發出利用環境進行自供電的超小型設備，并且這樣的機會將越來越多。 利用太陽能電池為鋰離子電池充電并由專門的電源管理器連接，能讓 GPS 接收器運用到更多的領域，帶來各種令人興奮的全新應用。