一、Air8101 工业引擎电源供电方式

Air8101 的供电方式有如下：

  **如果只有Air8101简易使用LDO供电方式供电。如果Air8101模块要配合4G模块同时使用，建议使用DCDC供电，不建议使用LDO供电方式。**

常见的物联网应用场景下对 Air780EPM 的供电方式有如下三种：

一. LDO 供电方式

使用 LDO 电源芯片线性降压的供电方案，原理简单，电路，走线要求都相对较低，而且输出电源干扰小，稳定，对射频，天线等影响较小。

如下是一般 LDO 的电源参考设计

对于 LDO 电源的设计与选型有几点注意事项：

输入电压和输出电压压差尽量小。由于 LDO 常用的是 MOS 半导通的降压特性，输入电压和输出电压差会加在 LDO 两端，会导致 LDO 承受耗散功率，造成发热和能量损失。
LDO 器件封装选择。

不少人选择 LDO 器件，只看器件的最大输出电流是否满足模块的要求电流，这种做法是错误的。LDO 选型最重要的参数是热阻 ϕ JA，表示芯片内部热结点到周围环境的热阻。通常芯片内部的结温的计算公式为：

其中： Tj 为芯片结温；Rϕ JA 为热阻；TA 为室温；PD 为 LDO 芯片的耗散功率；

对于芯片结温 Tj，通常规格书会给出当前芯片的最大允许的工作温度，比如如下：

也就是计算出来的 LDO 结温度不能超过 125°C。而通常 Rϕ JA 热阻与 LDO 的封装形式高度相关，具体可以查阅相关 LDO 芯片规格书，如下：

例如：从上图规格书中我们可以得知 SO-8 封装的热阻为 160°C/W，按照 Air780EP 最大平均功率 700mA, LDO 压差 1V 计算，室温 25° 下，SO-8 封装的 LDO 结温为 0.7x1x160+25 = 137 °C 就高于了规格书要求的 125 的最大工作结温，所以 SO-8 的封装不满足 Cat.1 应用要求。

所以通常推荐选择封装为 TO-252,SOT-223 等这些带大面积散热 PAD 的封装，同时在 PCB 布局的时候要在空间允许的情况下尽量增加散热 PAD 的铺铜面积以及尽量多的过孔导热到 PCB 对面层增加散热面积。

LDO 布局远离热敏感器件。Cat.1 模块供电 LDO 由于是比较大的热源，在热敏感的功能区域要尤其注意要远离，比如 GPS，晶体振荡器，热敏感传感器。
LDO 的输出电容的选择。LDO 输出电容容值不是越大越好，不合适的容值会导致输出震荡，计算公式相对复杂，这里不再赘述，感兴趣可以查阅反馈回路设计相关资料。若实际使用中遇到 LDO 输出震荡问题，调整输出电容即可，一般来说，只要按照 LDO 规格书推荐的输出电容值就可以。注意靠近 LDO 输出管脚放置。
推荐的 LDO 选型。LDO 选型不限于如下型号。
MIC29302WU TO-263-5
LM317D2T-TR TO-263-2
LM317DCYR SOT-223-3

二 .DCDC 供电方式

DC to DC 开关电源的供电方式是 Cat.1 模块常用的方式，有其输出电流高，输入电压范围广，而且功耗相对 LDO 要低，发热小，同时不需如 LDO 的大面积散热覆铜。但是比较致命的缺点是容易对射频部分和天线部分造成传导或耦合干扰，从而影响模块的接受性能。但是这个问题是可以通过合理的 DCDC 电源设计以及 PCB 布局走线来优化解决。

如下是 DCDC 参考设计示例：

上图是以杰华特的 JW5359M 开关电源举例，讲解各个部分的功能电路：

C1 和 C25 构成输入电容，其中 C1 大电容为可选，主要作用是放置于电源连接器附近，用于消除电源插拔时的尖峰电压；C25 22uf 要靠近开关电源的电源输入管脚放置。C25 电容选型除了耐压要满足输入电压要求外，还要选用低 ESR 的电容，建议用陶瓷 MLCC 电容。
C16 为自举电容，用于在 DCDC 内部下管关闭后能够迅速将上管栅极的电压提高至上管导通，在选型时要注意 C16 的耐压要大于输入电压。
L2 为功率电感，电感的感值范围可以由芯片规格书中公式进行计算得出，这里不做赘述。功率电感的选型除了关注感值外还需注意下面的几个参数：

饱和电流（Isat），也就是导致功率电感磁饱和时的最大电流。功率电感进入磁饱和后，此时电流的增大不再转换为磁通量的增加，即立刻失去了电感的特性，导致短路大电流。电感的饱和电流一定要大于 DCDC 输出的最大峰值电流。注意，最大峰值电流并不等于输出电流。而是等于输出电流加上最大纹波电流，最大纹波电流可以按照输出电流的 50% 来估算。比如 DCDC 的最大输出电流为 1A，则最大纹波电流为 0.5A，于是最大峰值电流为 1.5A，因此选择功率电感的饱和电流要大于 1.5A。
温升电流（Irms），功率电感的饱和电流不是固定不变的，通常会随着温度的升高而饱和电流降低。通常 Irms 是指电感温度在 40 度时的饱和电流。所以温升电流（Irms）通常会小于额定的饱和电流（Isat）。所以在做电感选型时主要 Irms 也要高于 DCDC 的最大峰值电流。
等效直流阻抗(DCR), 也就是功率电感的内阻，主要影响电感的发热，较大的内阻会使得功率电感温度更容易升高，从而降低功率电感的感值和饱和电流。通常功率电感的内阻通常与封装大小直接相关，相同感值下封装更大的电感往往内阻较小。
反馈网络（R21,R22,C19)。R21,R22 分压构成调整输出电压的反馈，这里不做过多阐述。注意，C19 作为前馈电容主要作用是加快 DCDC 系统的瞬态响应，能够让 DCDC 在系统负载突然变化时，能够更快的响应，使得输出迅速稳定。通常前馈电容是可选的，但是对于 Cat.1 系统来说，由于射频脉冲式的工作形式，导致 Cat.1 系统对供电的瞬态响应要求高，因此前馈电容建议加上。前馈电容的值选择建议对于 DCDC 芯片规格书推荐值，由于前馈电容会影响 DCDC 反馈环路的相位，不合适的值会影响环路稳定性，从而引起震荡。
C34 输出电容。输出电容比较重要，与功率电感一起，影响着 DCDC 的纹波电压大小。输出电容的计算方法在 DCDC 芯片规格书里描述得很详细，不做赘述。需要注意的是输出电容要选择 ESR 较小的 MLCC 陶瓷电容或者钽电容，且靠近 DCDC 输出放置。

DCDC 开关电源的布局要求：

DCDC 开关电源的布局很重要。如下是典型的布局较差的 DCDC 输出波形：

上图波形能看到两种周期性的波形：呈现三角形，幅度相对较小的电源纹波；和尖峰脉冲幅值较大的低弹噪声。

电源纹波：是由开关电源的开关特性和功率电感输出电容充放电共同作用的结果，只要纹波电压幅值不大，基本不会对系统产生影响。如上图纹波电压峰峰值在 20mv 左右，相对较小属于正常范围。调节功率电感值和输出电容值以及开关频率均可以优化纹波电压。
地弹噪声：由于脉冲时间短频率高而且幅值较大，其高频分量通过电源传到到射频部分很容易对射频造成干扰，造成灵敏度恶化。所以地弹噪声是我们要消除的最大敌人。地弹噪声产生的原因是由于 DCDC 开关电源在工作时上管和下管分别交替打开而造成的电流环路变化而造成的磁通量变换，从而就会在电流环路上产生感应电动势也就是尖峰电压如下图，所以观察上图波形，可以看到地弹噪声都是出现在上下管切换的时刻。所以地弹噪声想要通过调节电容和电感值去优化噪声是不可达到的。

输入电容和输出电容与 DCDC 芯片共同构成电流回路，也就是两者回路面积越大，产生的磁通量变化越大，也就是产生地弹噪声越大。因此想要尽可能的最小化噪声，就要在输出电容和输入电容的办法上做文章。

DCDC 电源布局示例：

上图输入电容和输出电容直接放置在输入输出管脚的近端，同时电容地管脚直接就近连接到芯片的地管脚，从而整个输入输出电流环路面积最小。

DCDC 布局建议：

优先布局输入输出电容，首先将输入输出电容靠近芯片放置，再考虑其他部分的布局。
输入输出电容的地管脚和 DCDC 芯片地管脚直接的回路连接，要尽量在表层连接，最好有一定宽度的覆铜。不建议通过过孔通过其他层连接，效果较差。
芯片 SW 管脚与电感连接的走线尽量短，以减小对外的辐射。
其他的一些通用的设计规则不再赘述。

总之，由于地弹噪声一旦发生，在已经成型的 PCB 上就很通过常规的硬件整改来定位问题和改善。因此在设计的时候就要特别关注 DCDC 开关电路的布局和走线。

三 .锂电池供电以及充电方式

通过直接用锂电池给模块供电的方式适合运用在便携式物联网的场景，锂电池供电让身边正常工作，充电进行补能。

锂电池的放电特性具有较高的瞬态放电能力而且内阻较低，是比较理想的供电方式，下图是由电池直接给模块供电的参考设计。

C49 220uF 是补能电容，由于锂电池的低内阻和高放电能力，加上本身应用与便携式产品，空间尺寸优先。因此本不需要较大的电容，但是考虑到实际 PCB 电源走线长度以及电池连接器接触阻抗和电池引线长度等会引入额外的不确定的阻抗，因此会建议酌情加上 220uf 电容，建议选用低 ESR 的钽电容。
C50 C51 C52 构成旁路电容滤波组，不同容值的电容会有不同的协振动点，组合起来能够增加滤波的高频带宽，比单一滤波电容有低的高频阻抗。
TVS1 作为电源端的 ESD 保护器件。建议在设计时要加上，会显著降低售后不良率。参考选型：PTVSHC3D4V5BH 芯导；GESDBL4V5Y1 格瑞宝；

充电电路：

对于锂电池的充电有两种方式：线性充电和开关充电，他们的工作原理图类似与 LDO 和 DCDC 开关电源的原理。对于 500mA 以下的充电电流优选线性充电的方式，成本低，电路简单，干扰较小；对于 1A 以上的充电电流优先选择开关充电的充电方式；在 500mA~1A 之前，根据产品的空间尺寸，散热情况选择合适的充电方式。

下图以线性充电方式为例介绍具体参考设计：

设计注意事项：

D2 和 C18 构成输入电源端的保护网络，靠近输入端放置。若是 5V USB 进行充电的化 C1 容值不宜太大，否则容易触发电脑 USB 的供电短路保护。如果是直流电源供电，C18 建议采用 100UF 以上的电解电容，电源浪涌保护。
充电芯片 CHRG 管脚为充电指示管脚，通常为开漏输出，需要 VBUS 输入电源上拉，同时可以通过二极管做隔离同时连接到主控 MCU GPIO 管脚做充电状态判断，如果采用 Air780EP 做主控的 open 二次开发方式，需要连接到带有中断的 GPIO。
充电芯片 PROG 管脚用于配置恒压充电下的充电电流，由 R5 电阻的阻值进行设置，具体参考实际的芯片规格书。建议加上 Q4 NPN 作为充电控制管脚，可以通过 MCU 或者 Air780EP GPIO 进行控制，注意 Q4 的口控制管脚要用 VBUS 上拉，同时分压到 IO 电平对应的电压，达到充电芯片默认开启状态。
部分锂电池会有温度 NTC 管脚，用来检测电池电压，这里可以用 VDD_EXT 做分压，通过 ADC 检测电池温度，方便做电池安全检测。注意 R30 的值要根据具体的电池 NTC 电阻规格来计算，建议分压后的值落在 0~1.2V 的 ADC 有效量程之中。

充电路径管理：

由于锂电池的充电特性，在频繁充放电的情况下会导致锂电池寿命下降，因此在外部供电长供电的应用场景下建议做充电路径管理，即当外部供电时会切断电池与模块的供电连接，直接用外部电源给模块供电。（上图线性充电参考设计的 TP4056 就没有路径管理功能，这种情况下，不能在电池不在的情况下用充电口直接给模块供电）。

四 .不可充电锂亚/锂猛电池供电方式

在需要超长待机（以年计算），且不可拆卸的场景（如表计类应用)。这类应用往往需要待机甚至长至 10 年。这时普通的可充电锂聚合物电池由于自放电率高的问题，无法适用于超长待机的场景。这时就需要用到不可充电的锂亚/锂猛电池。

锂亚硫酰氯(Li/SOCl2)电池：能量最高的一种电池，不可充电，比能量可达 590W·h/kg 和 1100（瓦时每立方分米）。锂亚电池在其 90% 以上的容量上都能保持 3.6V 左右的放电电压，在功率型锂亚电池瞬时放电能力达到大于 1A，放电曲线如下图。能够满足于 Cat.1 通信模块的供电要求。所以对于使用功率型锂亚电池只需直接给 Air780EP 模块供电即可，无需做升压设计。

锂二氧化锰电池：能量密度对比锂亚电池要小一些，但是由于其成本低的特点，被广泛应用。锂锰电池工作电压在 2.5V~3.0V 左右，顺时放低能力在 1A 左右。由于工作电压较低，因此需要外接升压电路才能给 Cat.1 通信模块供电。

升压参考方案对于升压方案的选择，低静态功耗是核心，才能满足超长待机的应用要求。这里推荐 TI 的 TPS610995 升压芯片（固定 3.6V 输出版本）。TPS61099x 器件是一款具有 1µA 超低静态电流的同步升压转换器。该器件专为由碱性电池、镍氢充电电池、锂锰电池或锂离子充电电池供电的产品而设计，能够在轻载条件下高效运行，这对延长电池使用寿命至关重要。如下是参考设计。

注意：TPS610995 要选择固定升压版本，可以省掉外部的反馈分压电阻，能够最小化反馈分压上的静态电流。

对于布局 layout 注意事项，同样要遵循输入输出电容的最小路径原则。参考布局如下：

五 .总结

文章描述的三种常用的供电方案，其中各有优劣，需要根据具体实际场景进行选择和设计。