远程无键登录系统需要快速启动振荡器

在今天大多数汽车中广泛使用的远程无键登录(RKE)系统是一种简单的RF数据传输应用。这些系统用于控制车门的闭锁和解锁、打开车尾箱和安全报警。未来计划的功能还包括定位和远程启动汽车。

RKE系统的工作原理十分简单。它由Key-Fob(类似于车钥匙的小型终端)发射器(通常每位用户一个)和车载接收器组成。工作频率一般在300MHZ到450MHZ之间,但欧洲的一些新系统正考虑采用在ISM频段的868MHZ频率。通讯是单向的,即数据只从发射器传至接收器。采用这种结构有很多原因,其中最重要的理由是为了取得低成本和延长Key-Fob的电池寿命。

一个RKE系统可以构建在MAX1470上,它是一款低功耗、全集成的CMOS超外差接收器。MAX1470工作在315MHZ频段,使用幅移键控(ASK)数据。它只需很少的外部元件,并具有低电流下电模式,这使得它可以支持汽车和消费类电子市场中许多对成本或功率敏感的应用。该芯片包含一个315MHZ低躁放大器(LNA)、一个图像抑制混频器、一个全集成315MHZ锁相环(PLL)、一个带接收信号强度指示器(RSSI)和ASK解调器的10.7MHZ IF限幅放大器级和模拟基带数据恢复电路(图1)。VSPACE=12 HSPACE=12 ALT="图1:只需很少的外围元件,MAX1470就能执行执行远程无键登录(RKE)功能。">

完整数据包(64到128字节)通常以介于2.4KHz与20kHZ之间的某一速率传输,采用的RF调制是ASK或开关键控(OOK,即调制为0%或100%时的ASK)。这种调制方案可以将成本降至最低,并延长Key-Fob的电池寿命。你可能心存怀疑,但低价格和长电池寿命是非常重要的。当你考虑到处于使用状态的系统数量(数以千万计)时,它显然必须是低价格的。对于发射器和接收器来说,最大的电池寿命是很重要的。

对于Key-Fob发射器,长电池寿命可以减少使用者更换电池的次数。理想的情况是发射器电池具有和汽车一样长的使用寿命,这样的电池今天是可以实现的,但你可能不愿意因此在口袋或钱包中携带一个很大的Key-Fob。一个很小的Key-Fob当然更方便,但你必须每两个月换一次电池。今天的大部分产品是折衷的产物,即提供一个合理的Key-Fob尺寸和2至5年的电池寿命。

对于接收器,电池寿命同样重要。因为用户可能在任何时刻发送命令,所以接收器电池必须始终处于工作状态。RKE接收器是由车载电池(即用于发动汽车的电池)供电的。如果接收器的功耗过高,电池将缺乏足够的能量来发动汽车。

表面上看,担心这种可能性似乎是愚蠢的。车载电池那么大,而一个典型的接收器仅消耗1MA到5MA的电流。在日常使用中,这样小的电流消耗对汽车而言根本不成问题。但是如果你将汽车停泊在机场两周或更长时间,情况就不同了。

因此,汽车制造商需要相应确定他们的电池容量。对于RKE系统,其电池容量直接正比于接收器所消耗的功率与供电时间(按天计)的乘积。因此,如果你的汽车存放时间超过30天,那么应该得到预先警告。

回到这篇文章的题目,在超外差接收器中,振荡器的快速启动将如何影响电池寿命呢？为了简化计算,我们取一些中间值,假设数据包的大小是100字节,数据率是10kHZ(每字节的传输时间为0.1ms)。显然,100字节数据包的传输时间为10ms。为了节省接收器的功耗,我们采取时间分片的方法使它只在大概3/4的时间内工作,这样长的时间足以使它判断是否有有效的传输。这个“工作时间”值通常会产生大约10%的占空比。

因为时间分片的缘故,我们需要提供额外的传输来确保接收器检测到用户发出的请求。正常情况下,Key-Fob传输需要多重复三次,即总共为四次传输。Key-Fob的总传输时间为4×10ms=40ms,而接收器必须完全解码其中至少一个100字节(10ms)的数据传输。VSPACE=12 HSPACE=12 ALT="图2:为了监测Key-Fob传输,RKE接收器必须分配一定的时间来唤醒、稳定,然后解码输入的信号。">

为了捕获至少一次完整的传输,我们必须问询接收器,以确定有效数据是否存在。(接收器可以保持在工作状态,但这会消耗能量。)一个给定的40ms传输包可能不会重复发送,所以你必须经常询问接收器,以捕获至少一次完整的10ms传输。这项要求使得每次问询接收器的最大间隔时间为30ms。

但这个间隔可能太疏,从而导致命令丢失。此外,干扰或其它躁声可能会破坏数据。为保险起见,我们应该设置系统使其能捕获至少2次完整的传输。因此,我们设置接收器时间分片电路的值为20ms。每20ms,接收器将被唤醒,并尝试解码传输过程。如果存在有效数据,接收器将执行解码,否则它将再次进入20ms的休眠状态。

为检测有效数据,接收器需要7至8比特数据或0.75ms的时间来解码信息。这决定了发射器是否正在某个频率上发送数据以及我们所关心的数据格式。因此,接收器每20ms需要醒来大约0.75ms。不幸的是,只有理想的接收器才能达到这样的性能。

唤醒接收器是需要时间的。在接收器中,大部分放大器能够在短时间内唤醒并达到稳定状态,但振荡器不行。它的压电晶体是一种机电元件,需要时间来起振,还需要更多一点的时间来稳定在要求的频率上。请注意,一些接收器的说明书在这方面是含糊不清的。一个重要的指标是从启动接收器到把振荡器频率调整到稳定值的时间间隔。其它指标(如有效的IF输出)容易令人误解。当振荡器开始工作时,IF输出就是有效的,尽管接收器的频率可能没有锁定到发射器的频率上。这样情形类似于一部无线电调谐到90MHZ,但实际上却在接收92MHZ的频率。收音机的确在工作,但它接收的不是你需要的信号。

普通的超外差接收器可以在2ms到5ms内启动并达到稳定状态。在我们的讨论中假设为2.25ms。加上0.75ms的数据解码时间,它们每20ms需要3ms的“工作时间”,以检测Key-Fob传输(图2)。另一方面,MAX1470超外差接收器包含一个快速启动振荡器,它通过维持晶体的振动,可以将启动时间从正常的2.25ms缩短到更快的0.25ms。加上0.75ms的解码时间,我们每20ms只需1ms的时间来检测一次Key-Fob传输。因此,MAX1470可以在1/3的时间内完成相同的检测功能,从而节省了功耗。

大多数高性能超外差接收器(具有良好的灵敏度)在工作电压为5V时消耗5mA的电流。MAX1470提供了更好的接收器灵敏度,同时只需3.3V的供电电压,消耗电流依然为5mA。在更低的电压下工作可以显著节省功耗:正常的超外差接收器需要25mW,而MAX1470只需要16.5mW。在每20ms的问询周期(图3),普通超外差接收器的能量需求为25mW*3ms=75uJ,而MAX1470则为16.5mW*1ms =16.5uJ。因此,快速唤醒接收器所节省的电能可以使电池寿命延长4到5倍。VSPACE=12 HSPACE=12 ALT="图3:通过降低供电电压和缩短唤醒时间,MAX1470节省了电能。">

对于给定的电池寿命指标,我们可以减少电池尺寸(容量)和节省成本,或者我们能在相同的功率下进行更多次采样,并减少发射器电池的尺寸。因为车载电池的尺寸主要取决于“开动电流”和储备容量,所以减少它的容量未必能产生显著的价格优势。另一方面,减少发射器电池的尺寸可以带来好处,特别是当它被用于新的轮胎压力监测(TPM)系统中时。一个TPM发射器实际上是安装在轮胎阀杆上的一个Key-Fob。它测量轮胎压力和温度,然后像RKE系统的Key-Fob一样发射数据包。但与响应你的按键动作不同,它需要经常发送信息,因为你必须及时检测出轮胎暴胀问题。

为了检测缓慢的漏气,该系统在汽车停止行驶时也要监测每只轮胎。请注意,你无法将一个大型电池安装在阀杆上,以免使轮胎失去平衡。更换接收器电池也不容易,所以它应该具有比Key-Fob电池更长的寿命。

因此,低功率传输对TPM而言是至关重要的。虽然RKE发射器的设计师自然会关心低功率工作问题,但系统工程师知道改进接收器也可以影响功耗。为了这个目的,没有什么比把超外差RKE接收器与一个快速启动振荡器匹配在一起更好的方案了。

作者:Ken Lenk

Maxim集成产品公司