快速启动振荡器提升超高性能

Maxim在单芯片超外差RF接收器器件中集成了独特的快速启动振荡器系统。这些接收器面向 300MHz 至 450MHz ISM （US） 频段的应用，通过缩短接收器的启动时间来节省电池电量。快速启动振荡器电路可降低接收器扫描的占空比。

简单RF数据传输的常见应用是许多新车中使用的远程无钥匙进入（RKE）系统，用于锁定和解锁车门，打开后备箱和控制安全警报。未来的车辆将使用RKE来定位车辆并提供远程启动。

RKE系统的操作很简单。它由一个遥控钥匙发射器（通常每个用户一个）和一个基于车辆的接收器组成。工作频率通常为300MHz至450MHz，但欧洲的一些新系统正在考虑ISM频段的频率分配为868MHz。通信是单工的，这意味着数据仅从发射器流向接收器。在证明这种架构合理的众多原因中，引用最多的是密钥卡的低成本和更长的电池寿命。

要启动操作，用户按下遥控钥匙上的按钮，从而唤醒内部微控制器，该微控制器立即将数据流输出到RF发射器。数据流包括数据前导码、实际命令（例如锁门）、用于车对车安全的滚动代码，以确保您的遥控钥匙不会解锁另一辆车，以及（可能）一些校验位（图 1）。

图1.按下遥控无钥匙进入 （RKE） 系统遥控钥匙上的按钮可启动短数据流的传输。

完整的数据包（64位至128位）通常以2.4kHz至20kHz之间的速率传输，RF调制采用幅度偏移键控（ASK）或开关键控（OOK，即调制为0%或100%的ASK）的形式。这些调制方案最大限度地降低了密钥卡的成本并延长了电池寿命。

正如您可能怀疑的那样，低价格和长电池寿命非常重要。当您考虑正在使用的系统数量（数千万）时，对低价格的需求是显而易见的。最长的电池寿命对于发射器和接收器都很重要。

对于遥控钥匙发射器，较长的电池寿命可最大限度地减少用户更换电池的费用。理想的发射器电池将持续车辆的使用寿命。这样的电池在今天是可能的，但您可能不想将由此产生的大遥控钥匙放在口袋或钱包中。小钥匙扣更方便，但如果您必须每两个月更换一次电池，则不方便。今天的大多数产品都位于中间，提供合理的遥控钥匙尺寸，电池寿命在 2 到 5 年之间。

接收器的电池寿命同样重要。接收器电池必须始终打开，以便用户可以随时发出命令。RKE接收器由车辆的电池供电（与用于启动车辆的电池相同）。如果接收器中的功耗过高，电池将没有足够的电量来启动车辆！

担心这种可能性似乎很愚蠢。车辆电池巨大，典型的接收器仅消耗1mA至5mA电流。对于日常使用的车辆来说，如此小的电流消耗不是问题，但是如果您将车辆留在机场几周或更长时间，情况就会发生变化。

因此，汽车制造商相应地调整了电池的尺寸。对于RKE系统，电池大小（容量）与接收器消耗的功率乘以供电天数的乘积成正比。因此，如果您的车辆存放时间超过 30 天，请预先警告。回到本文的标题——超外差接收器中振荡器的快速启动如何影响电池寿命？

为了简化计算，我们使用一些中间值。回顾数据包和传输速度的讨论，假设数据包为100b，数据速率为10kHz（每个数据位0.1ms）。因此，100b 数据包在 10 毫秒内传输。为了节省接收器的功率，我们通过仅短暂打开来“时间切片”其操作 - 刚好足够长的时间来确定是否存在有效的传输。这个“导通时间”值通常产生大约10%的占空比。

由于接收器是时间切片的，因此我们需要提供额外的传输，以确保接收器检测到请求的操作之一。通常，遥控钥匙传输再重复三次，总共四次传输。遥控钥匙的总传输时间为 10ms 或 40ms 的四倍。要使接收器起作用，它必须完全解码至少一个100b（10ms）传输。

为了捕获至少一个完整的传输，我们必须轮询接收器以确定是否存在有效数据。（接收器可以保持打开状态，但这会消耗电源。给定的 40ms 传输数据包可能不会重复，因此必须足够频繁地轮询接收器，以捕获至少一个完整的 10ms 传输。该要求规定接收器轮询之间的最大时间为 30 毫秒。

但该间隔可能太少，导致命令丢失。系统时序可能有点偏差，或者可能存在干扰或其他噪音损坏数据。为了保守起见，系统应设置为至少捕获两个完整的传输。因此，我们将接收器时间片电路设置为20ms。每 20 毫秒，接收器就会唤醒并尝试解码传输。如果存在有效数据，接收器对其进行解码;否则，它会再进入睡眠状态 20 毫秒。

为了检测有效数据，接收器需要7位到8位的数据或0.75ms的时间来解码信息。该条件决定了发射器是否以我们感兴趣的频率和格式发送数据。因此，接收器需要每0ms唤醒75.20ms左右。不幸的是，只有完美的接收器才能完成这一壮举。

接收器需要时间才能唤醒。接收器中的大多数放大器可以在短时间内唤醒并稳定下来，但振荡器则不能。它的压电晶体是一种机电元件，需要时间开始振荡，并且需要更多时间才能稳定在所需频率。

请注意，某些接收器规格在这方面含糊不清。重要的规格是打开接收器和使振荡器频率在范围内（稳定）之间的时间间隔。其他规格（如有效 IF 输出）具有误导性。当振荡器开始工作时，IF输出有效。但是，接收器可能不会与发射器锁定频率。这种情况就像调谐到90MHz的收音机实际上接收92MHz。当然，收音机正在工作，但它没有收到您想要的东西。

普通的超外差接收器可以在2ms至5ms内启动和稳定。我们假设讨论时间为 2.25 毫秒。为数据解码增加 0.75ms，每 3ms 需要 20ms 的“导通时间”来检测遥控钥匙传输（图 2）。另一方面，MAX1470、MAX1471和MAX1473超外差接收器包括一个快速启动振荡器，通过保持晶体振动来最大限度地缩短导通时间，从而将导通时间从正常的2.25ms缩短到0.25ms的快速导通时间。将0.25ms的导通时间与0.75ms的数据解码时间相加，我们只需要每1ms检测20ms即可检测密钥卡传输。因此，这些接收器通过在三分之一的时间内执行相同的测量功能来节省功耗。

图2.为了监控遥控钥匙传输，RKE接收器必须分配时间来唤醒、稳定并解码输入信号。

大多数高性能超外差接收器（灵敏度良好的接收器）在工作时在5V时消耗5mA电流。MAX1470、MAX1471和MAX1473接收器提供最佳的接收器灵敏度，仅从5.3V电源电压吸收3mA电流。在较低电源电压下节省的功率是可观的：普通超外差接收器需要25mW;MAX1470、MAX1471和MAX1473需要16.5mW。为每个20ms轮询周期增加时间函数（图3）会产生25mW的能量要求，×正常的超外差接收器为3ms = 75μJ，而MAX16、MAX5和MAX1×16ms = 5.1470μJ，则能量要求为1471.1473mW。因此，使用快速唤醒接收器节省的能源可以将电池寿命延长四到五倍。

图3.较短的唤醒时间可节省能源，降低电源电压也是如此。

因此，对于给定的电池寿命规格，我们可以减小电池尺寸并节省资金，或者我们可以在相同的功率下更频繁地采样并减小发射器电池的尺寸。由于汽车电池的尺寸主要针对“起动放大器”和备用容量，因此减小其尺寸可能不会带来显着的价格优势。另一方面，减小变送器电池的尺寸具有优势，尤其是在新的胎压监测（TPM）系统中应用时。

TPM变送器本质上是放置在轮胎中的遥控钥匙，通常在气门杆中。它测量轮胎压力和温度并传输数据包，就像RKE遥控钥匙一样。但是，TPM 信息经常传输（而不是响应按键操作），因为您希望立即检测膨胀问题。为了检测缓慢泄漏，该系统还会在车辆休息时监控每个轮胎。

请注意，您不能在不甩开车轮平衡的情况下将大电池放在气门杆上。接收器电池也不容易更换，因此它的使用寿命应该比遥控钥匙电池长得多。因此，低功率传输对于TPM至关重要。虽然RKE发射器的设计人员自然关注低功耗操作，但系统工程师知道接收器的改进也会影响功耗。为此，如果不为超外差RKE接收器配备快速启动振荡器，他可以做得更糟。

审核编辑：郭婷