移動性正在以驚人的速度增加，位置跟蹤被證明非常有用。利用全球導航衛星系統 （GNSS） 的設備可提供有用的位置信息。在空間受限、可穿戴或便攜式設備中，GNSS 接收機的電源管理對于設備功能和性能至關重要。本應用筆記重點介紹使用ADI公司的單電感多輸出（SIMO）電源管理集成電路（PMIC）進行便攜式位置跟蹤的優勢，并特別關注降噪、節能、BOM減少和解決方案尺寸最小化。

介紹

在從消費到工業的眾多行業中，越來越需要以極高的精度和準確度實時跟蹤位置。無論是定位親人、跟蹤包裹、在戶外導航還是管理資產，擁有可訪問、緊湊、準確、精確和連續的定位服務都能讓您高枕無憂。緊湊型位置跟蹤系統的一個關鍵組件是電源解決方案，因為其效率和噪聲特性直接影響整個系統的運行時間和精度。因此，創新下一代電源解決方案以進一步提高位置跟蹤器的功能非常重要。本應用筆記討論了為緊湊型位置跟蹤系統設計電源解決方案的技術挑戰，重點介紹了使用ADI公司的單電感多輸出（SIMO）電源管理集成電路（PMIC）的優勢。主要重點是降噪、節能和最小化占地面積。

全球導航衛星系統概述

全球導航衛星系統（GNSS）始于1978年，隨著美國全球定位系統（GPS）衛星星座的發射。從那時起，GNSS已經發展到包括來自俄羅斯，歐盟，中國，日本和印度的衛星。為了實現位置跟蹤，每顆衛星不斷傳輸三個關鍵信息：

傳輸時間，精度在3ns以內。

由高度、緯度和經度組成的衛星位置（基于已知軌道和確切時間）。

部分年鑒，包含有關地球接收器接下來可以與之通信的衛星的信息。

利用來自至少三顆衛星的GNSS信息，接收器可以根據衛星數據的傳輸時間（相當于與衛星的距離）和衛星的已知位置計算其在地球上的粗略位置。當使用更多的衛星時，接收器的位置計算變得更加準確和精確，但代價是使用更多的功率。

便攜式 GNSS 設備挑戰

由于GNSS信號至少傳播20，200公里才能到達地球，并且以28.6°的錐體分布，因此衛星和接收器之間存在顯著的信號衰減。定位精度與信號中相對于信號強度的噪聲量直接相關。大氣、干擾信號和物理障礙（如茂密的樹林或建筑物）會增加噪聲和反射信號，這使得準確的位置跟蹤具有挑戰性。最初重新啟動 GNSS 接收器（冷啟動）時，設備必須查找可用的衛星。為了快速鎖定有用的衛星，接收器必須進行多次數據密集型計算，這反過來又需要更多的功率。為移動 GNSS 設備供電非常困難，因為消費趨勢需要下一代技術來提高準確性、精度和處理速度，同時延長電池壽命并減小整體外形尺寸。

對于可穿戴或便攜式定位設備，有三個主要的設計考慮因素：

將內部噪聲降至最低，以確保 GNSS 信號的最高保真度。

保持低功耗，確保連續使用也能延長電池壽命。

確保解決方案尺寸小，以提高最終產品的耐磨性或便攜性。

GNSS 接收器需要考慮四個電源軌。圖 2 描述了常見的 GNSS 接收器和電源管理配置。接收器最耗電的輸入是V核心，用于管理位置計算。使用時，V核心可連續吸收高達20mA的電流。接收器的低噪聲放大器（LNA）也獲得電源，這對于接收和解調衛星信號至關重要。LNA 電壓軌必須具有盡可能小的固有噪聲，以保持 GNSS 報文的最高保真度。為了管理數字通信、存儲器和其他系統功能，還向 V 供電DD和 V我.

圖2.采用ADI公司SIMO PMIC的GNSS接收器。

圖2所示的電源解決方案是ADI公司的SIMO PMIC。該電源解決方案實現了單電感多輸出 （SIMO） 拓撲，與 GNSS 接收器相比具有多種優勢。通過使用 SIMO PMIC，可提供 GNSS 接收器所需的四個電源軌，同時保持低噪聲、高效率和少量外部組件。以下各節將詳細介紹使用 SIMO 電源管理解決方案的這些優勢。

有關 SIMO 架構的更多詳細信息，請參閱 SIMO 白皮書。

噪音管理

對于GNSS接收機，內部噪聲抑制尤為重要，因為接收信號可能已經具有明顯的固有噪聲，這會降低位置跟蹤的性能。現代GNSS接收機正變得高度敏感（推動-160dBm），這意味著它們可以接收非常低的功率信號。雖然這意味著通過更小的天線減小終端設備的尺寸，但也意味著噪聲考慮更為重要。為了保留高質量的信號，解調和解碼GNSS信號的內部系統必須具有穩定的電源。因此，低壓差（LDO）穩壓器用于為接收器的LNA供電，并將其他電源軌上的紋波降至最低。使用 SIMO 電源解決方案，峰值電感電流是可配置的，從而提供輸出電壓紋波幅度的控制。圖3顯示了用于為GNSS接收器供電的每個通道的紋波。藍線對應于 V核心，用于管理位置計算。紅線對應于VDD，提供給數字通信。綠線對應V我，橙色線對應于 V液化天然氣，為噪聲敏感LNA供電。精確操作，紋波< 20mV聚丙烯建議使用 V核心在DD和 V我.而對于 V液化天然氣，為噪聲最敏感的子系統供電的電源軌，紋波為 < 5mV聚丙烯建議。

圖3.SIMO 電源解決方案的紋波測量。

省電

GNSS 接收機通常不需要連續接收和處理數據。例如，在緩慢移動的應用中，可能只需要每30秒讀取一次讀數即可提供準確的位置。因此，GNSS 接收器在待機時進入低功耗模式是有益的。GNSS接收器的功率損耗與工作電壓的平方成正比。為了節省功率，SIMO PMIC 可以通過降低提供給 GNSS 接收器的電壓來實現低功耗模式。電壓調節可由PMIC通用輸入/輸出（GPIO）引腳之一進行控制，以實現動態控制。當GNSS接收器的工作要求較低時（例如，冷啟動后或位置讀數/計算之間），SIMO PMIC可以降低電源電壓。圖 4 提供了 SIMO PMIC 電壓調節功能的示例，這些功能與 GNSS 接收器系統要求有關。藍線表示用于 V 的 SIMO 電源軌核心.當需要高功率狀態時，GPIO 切換為低電平以設置 V核心電壓至0.7V。否則，當需要低功耗狀態時，GPIO 切換為高電平以更改 V核心它0.5V。

圖4.動態電壓調節 （DVS） V核心與西莫PMIC。DVS 下降轉換時間取決于負載。

由于電池壽命對于可穿戴和便攜式設備的可用性至關重要，因此GNSS接收機系統的效率是一個主要的設計考慮因素。與傳統的分立式電源解決方案相比，SIMO PMIC 顯著提高了系統效率并降低了功耗，從而延長了電池壽命或減小了終端設備的電池容量（和尺寸）。如圖5所示，當使用SIMO PMIC為可穿戴GNSS接收機供電時，與傳統的分立電源解決方案（左）相比，系統效率提高了15.5%（右）。由于SIMO PMIC具有三個易于編程的開關輸出，因此可以調整LNA線性穩壓器的裕量以實現更高的系統效率。因此，SIMO實現降低了從電池汲取的電流，從而將電池壽命延長了25%。

圖5.傳統電源解決方案與SIMO PMIC的功耗比較

尺寸和物料清單減少

空間在帶有GNSS接收器的可穿戴和便攜式設備中非常寶貴。為了最大限度地利用天線和電池等性能在很大程度上取決于尺寸的組件的可用空間，減小控制電路的尺寸和PCB體積至關重要。由于ADI公司的SIMO拓撲僅使用一個電感來調節三個高效開關輸出，因此與分立方法相比，節省了大量空間，并且所需的元件更少。圖 6 顯示了傳統電源管理系統（左）和 SIMO 電源管理系統（右）之間的封裝比較。傳統系統包括兩個分立式降壓穩壓器、兩個線性穩壓器和十二個無源元件。SIMO 電源管理系統包括一個單片 PMIC 和七個無源元件。這兩種解決方案都涵蓋了GNSS接收器所需的電壓軌。然而，SIMO PMIC 將溶液尺寸面積減少了 8.7mm2 或 ~30%。由于電感器是最大的無源元件，因此SIMO PMIC只需要一個電感器即可節省大部分空間。

圖6.傳統電源管理（左，28.7mm2，20 個外部組件）與 SIMO PMIC（右，<> 毫米2，七個外部組件）。

總結

在考慮可穿戴GNSS接收器的功率需求和器件限制時，ADI公司的單電感多輸出（SIMO）電源管理集成電路（PMIC）提供了出色的解決方案。由于低噪聲、長電池壽命和小解決方案尺寸在 GNSS 系統中至關重要，SIMO 電源解決方案通過僅使用一個電感器實現可編程紋波控制、動態電壓調節和三個輸出軌調節來滿足這些設計標準。因此，當使用 SIMO 電源解決方案時，GNSS 接收器可以使用更長的使用壽命或使用更小的電池，具有更高的精度和精度，并且易于適應可穿戴外形。

審核編輯：郭婷