GSM/GPRS模组硬件电源设计指南

在物联网应用中，最近几年一些低功耗低带宽的网络（NB-IOT/LoRa）技术变得越来越流行通用，后续市场应用会更加广泛。但2G网络占据非常大的市场体量，本篇文章介绍一下2G网络硬件模块电源部分设计的一些要点。2G模组的占用市场体量大的原因主要是便宜（20元人民币以内），通讯稳定（目前联通已经退网）。2G主要的在物联网应用中缺点是对终端而言大部分是电池供电，2G耗电量较大。

物联网终端硬件设计中主要分为基带部分，射频部分，控制部分以及电源部分。设计电源之前需要知道2G网络的一些基本参数：

峰值发射功率

上图是不同网络模式下对应的峰值发射功率，其中GSM/GPRS峰值发射功率高达33dBm（≈2W）。2G模组一般内部集成了PA，天线需要从模组引出，需要PCB做阻抗设计然后连接到天线，如下示意：

天线和匹配网络会导致功率衰减,若想在天线端输出33dBm的发射功率，则PA可能会输出高于33dBm的能量（可能是34dBm）。一般1.5dBm的衰减会增加40%PA电源。

一般PA的效率在45%-60%之间，大部分能量消耗都已热的形式散出。而一般2G模组的供电电压都是3.2V-4.2V（适应单节可充电锂电池的电压），下图是匹配状态良好且信号很好条件下，不同供电电压，不同PA效率对应的电流消耗：

在信号良好状态下测试会发现PA的电流一般都在2A以下，所以这也是许多厂家定义的峰值的电流在2A以下。其实在实际应用中，环境恶略条件下实际的信号强度CSQ可能只有10或者更低，这种情况下电流会超过2A。所以在设计2G模组电源时PA的峰值按照2.5A设计是比较合理的，参考下图:

以上可以得出PA峰值电流按照2.5A设计，加上基带部分电流可按照0.5A设计，所以2G模组峰值电流应按照3A设计比较合理。

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时隙（Time Slot）

2G网络下采用时分复用模式，根据当地网络情况分配时隙进行发送，TDMA帧一共分为8个时隙，时间为4.615ms。如下图示意：

常见情况下数据量小只会分配1个时隙，当发送数据量大或当时网络状态可用时隙很多，会分配多个时隙（2/3/4）。

由于采用的是时隙发送，会存在电流瞬态变化，最终导致电压也会瞬态变化。以下是笔者测试2G模组时（信号状态良好）对应的发送时刻的电流：

从电流曲线也可以看出，发送时间周期是4.6ms，峰值电流是2.25A。

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根据以上的特性，下面介绍下如何进行电源方面的设计。

LDO供电

当输入电源在5V时，可用使用LDO降压到3.8V或4V来给2G模组供电。当输入电压很大时，此时LDO效率很低，发热量大，不可采用！

选择LDO时，首先推荐能够承受3A的负载电流且瞬态变化良好的电源。

当使用的负载电流达不到3A时，需要增加大电容来抵抗瞬间的电流脉冲。电容容值的计算公式按照如下：

C=Q/U=(IxΔt) / (ΔU)

说明如下：
C：电容容值
Δt:放电时间，单时隙可用按577us计算
ΔU:电压变化
I:电流

假设LDO本身输出2.5A，此时需要大电容输出剩余的0.5A。假设电容的内阻为300mΩ，由于本身内阻会有150mV电压的跌落。假设总的供电电压跌落不超过400mV,则电容的取值应该为：

C=0.5A x 577us / (400-150) mV = 1154 uF

采用单时隙发送时，最少需要1154uF的电容。如果多时隙发送，相应的容值会增加N倍。

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锂离子电池供电

锂离子电池可按照本身容量的2C或3C来放电，当使用1500mAh锂离子电池的话本身可用放出3A的电流，所以不需要添加外置电容。但考虑到电池的内阻存在，也会存在电压跌落。如果想电池跌落电压小的话，可用增加200-470uF的电容。

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DCDC供电

当使用高电压（12V或24V输入）或低电压（3.6V电池）的时候应该使用DCDC来供电。根据输入电压决定DCDC拓扑，来决定使用Buck/Boost/Buck-Boost。

选择DCDC时，也应该按照负载电流3A设计，瞬态响应良好的电源。

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电源硬件设计完成后，PCB电源部分应该使用较粗走线（2-3mm）且保证走线尽量短。

设计完成在PCBA测试时，需要重点测试电源的跌落（尤其是在信号不好的情况下），保证系统的稳定性。