高性能的晶體振蕩器即使不接入外部的電源,也能啟動振蕩,頻率范圍比一般的晶體要寬很多,在穩定性,可靠性,功能等方面也會更好.因此越來越多的廠家喜歡使用石英晶體振蕩器,尤其是高要求的汽車車載,RF接收器,REK系統,ISM,遙控鑰匙等產品,在單片超外差RF接收器器件中集成了獨特的快速啟動振蕩器系統.針對300MHz至450MHz ISM(美國)頻段的應用,接收器通過減少接收器的啟動時間來節省電池電量.快速啟動振蕩器電路可實現接收器掃描的低占空比.用于簡單RF數據傳輸的常見應用是遠程無鑰匙進入(RKE)系統,其用于許多新車輛中以鎖定和解鎖車門,打開行李箱以及控制安全警報.未來的車輛將使用RKE來定位車輛并提供遠程啟動.

RKE系統的操作很簡單.它由一個鑰匙扣發射器(通常每個用戶一個)和一個基于車輛的接收器組成.工作頻率通常為300MHz至450MHz,但歐洲的一些新系統正在考慮ISM頻段的868MHz頻率分配.通信是單一的,意味著數據僅從發送器流向接收器.在證明這種架構的眾多理由中,引用最多的是密鑰卡的低成本和延長的電池壽命.為了啟動動作,用戶按下遙控鑰匙上的按鈕,從而喚醒內部微控制器,該微控制器立即將數據流輸出到RF發射器.數據流包括數據前導碼,實際命令(例如鎖門),車輛到車輛安全性的滾動代碼,以確保您的密鑰卡不會解鎖另一輛車,以及(可能)一些檢查位(圖1).

圖1.按遙控無鑰匙進入(RKE)系統密鑰卡上的按鈕啟動短數據流的傳輸.

完整的數據包(64位到128位)通常以2.4kHz和20kHz之間的速率傳輸,RF調制采用幅移鍵控(ASK)或開關鍵控(OOK,ASK,其中調制)是0％或100％).這些調制方案最大限度地降低了密鑰卡的成本并延長了電池壽命.您可能懷疑,低價格和長電池壽命非常重要.當您考慮使用的系統數量(數千萬)時,對低價的需求是顯而易見的.最大電池壽命對于發射器和接收器都很重要.

對于鑰匙扣發射器,長電池壽命可最大限度地減少用戶更換電池的時間.理想的變送器電池可以延長車輛的使用壽命.今天這樣的電池是可能的,但你可能不希望將隨之而來的大型鑰匙扣放在口袋或錢包里.小鑰匙扣更方便,但如果必須每兩個月更換一次電池則不行.今天的大多數產品都處于中間位置,提供合理的密鑰卡尺寸,電池壽命在2到5年的范圍內.

同樣重要的是接收器的電池壽命.接收器電池必須始終打開,因此用戶可以隨時發出命令.RKE接收器由車輛電池供電(與用于啟動車輛的電池相同).如果接收器中的功耗過高,電池將無法啟動車輛！擔心這種可能性似乎很愚蠢.車輛電池很大,典型的接收器僅消耗1mA至5mA.如此小的電流消耗不是日常使用車輛的問題,但如果您將車輛停放在機場數周或更長時間,情況就會發生變化.

因此,車輛制造商相應地調整電池尺對于RKE系統,電池尺寸(容量)與接收器消耗的功率乘以其供電天數成正比.因此,如果您的車輛存放時間超過30天,請事先警告.回到本文的標題-超外差接收器中石英振蕩器的快速啟動如何影響電池壽命?

為簡化計算,我們使用一些中間值.回顧數據包和傳輸速度的討論,假設100b數據包和10kHz數據速率(每數據位0.1ms).因此,100b數據包在10ms內傳輸.為了節省接收器的功率,我們將其操作“時間分片”只是短時間-僅足夠長以確定是否存在有效傳輸.該“準時”值通常產生大約10％的占空比.因為接收器是時間切片的,所以我們需要提供額外的傳輸以確保接收器檢測到所請求的動作之一.通常,密鑰卡傳輸重復三次,總共四次傳輸.密鑰卡的總傳輸時間是10毫秒或40毫秒的四倍.為了使接收器起作用,它必須完全解碼100b(10ms)傳輸中的至少一個.

為了捕獲至少一個完整傳輸,我們必須輪詢接收器以確定是否存在有效數據.(接收器可以保持開啟,但是需要耗費功率.)給定的40ms發送分組可能不會重復,因此必須經常輪詢接收器以捕獲至少一個完整的10ms傳輸.該要求規定接收機調查之間的最長時間為30ms.但是這個間隔可能太罕見,導致命令被遺漏.系統時序可能有點偏,或者可能存在破壞數據的干擾或其他噪聲.為保守起見,應該設置系統以捕獲至少兩個完整的傳輸.因此,我們將接收器時間片電路設置為20ms.接收器每20ms喚醒并嘗試解碼傳輸.如果存在有效數據,則接收器對其進行解碼;否則,它又回到睡眠狀態20ms.

為了檢測有效數據,接收器需要7位到8位數據或0.75ms時間來解碼信息.該條件確定發送器是否以我們感興趣的頻率和格式發送數據.因此,接收器需要每20ms喚醒0.75ms左右.不幸的是,只有完美的接收器才能完成這一壯舉.接收器需要時間喚醒.接收器中的大多數放大器可以在短時間內喚醒并穩定,但不能振蕩器.它的壓電石英晶體是一種機電元件,需要時間來開始振蕩,并且需要更多的時間來穩定所需的頻率.

請注意,某些接收器規格在這方面是模糊的.重要的規格是打開接收器和使振蕩器頻率在范圍(穩定)之間的時間間隔.其他規格如有效的IF輸出會產生誤導.振蕩器開始工作時,IF輸出有效.但是,接收器可能沒有頻率鎖定到發射器.這種情況就像收音機調到90MHz,實際上接收到92MHz.當然,收音機正在工作,但它沒有收到你想要的東西.

普通的超外差接收器可以在2ms到5ms內啟動和穩定.我們假設我們討論了2.25ms.為數據解碼增加0.75ms,它們需要每20ms按時3ms來檢測密鑰卡傳輸(圖2).該另一方面,MAX1470,MAX1471和MAX1473超外差接收器包括一個快速啟動振蕩器,通過保持石英晶體振動最小化導通時間,從而將導通時間從正常的2.25ms減少到0.25ms.將0.25ms的開啟時間增加到0.75ms的數據解碼時間,我們每20ms只需要1ms來檢測鑰匙扣傳輸.因此,這些接收器通過在三分之一時間內執行相同的測量功能來節省功率.

圖2.為了監視密鑰卡傳輸,RKE接收器必須分配時間來喚醒,穩定,然后解碼輸入信號.

大多數高性能超外差接收器(具有良好靈敏度的接收器)在工作時在5V時吸收5mA電流.MAX1470,MAX1471和MAX1473接收器提供最佳的接收靈敏度,同時在3.3V的電源電壓下吸收5mA電流.在較低電源電壓下節省的功率很大:正常的超外差接收器需要25mW;MAX1470,MAX1471和MAX1473需要16.5mW.為每個20ms輪詢周期添加時間函數(圖3),對于正常的超外差接收器,能量需求為25mW×3ms=75μJ,而MAX1470,MAX1471和MAX1473則需要16.5mW×1ms=16.5μJ.因此,快速喚醒接收器所節省的能量可以將電池壽命延長四倍或五倍.

圖3.較短的喚醒時間可以節省能源,降低電源電壓也是如此.

因此,對于給定的電池壽命規格,我們可以減小電池尺寸并節省資金,或者我們可以使用相同功率更頻繁地采樣并減小變送器電池的尺寸.由于車輛電池的尺寸主要用于起動放大器和儲備容量,因此減小其尺寸可能不會帶來顯著的價格優勢.另一方面,減小變送器電池的尺寸提供了益處,尤其是當應用于新的輪胎壓力監測(TPM)系統時.TPM變送器基本上是放置在輪胎中的鑰匙扣,通常在閥桿中.它測量輪胎壓力和溫度并傳輸數據包,就像RKE鑰匙鏈一樣.然而,TPM信息經常被傳輸(而不是響應按鍵操作),因為您希望立即檢測到通脹問題.為了檢測慢速泄漏,系統還在車輛靜止時監控每個輪胎.

請注意,在不脫落車輪平衡的情況下,不能在閥桿上放置大電池.接收器電池也不容易更換,因此它應該比密鑰卡電池持續更長時間.因此,低功率傳輸對于TPM至關重要.雖然RKE發射器的設計者自然關注低功耗操作,但系統工程師知道接收器的改進也會影響功耗.為此,如果沒有為超外差RKE接收器配備快速啟動貼片晶體振蕩器他可以做得更糟.