CN215682134U - 一种用于提升NB-IoT终端接收灵敏度的电源电路结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种用于提升NB‑IoT终端接收灵敏度的电源电路结构，其包括电源Vs、开关管T、二极管D、电感L2、电容C和负载R；电源Vs的正极连接开关管T的输入端，开关管T的控制端连接控制信号VG，开关管T的输出端分别连接二极管D的阴极和电感L2的一端，电感L2的另一端分别连接电容C和负载R的一端，二极管D的阳极、电容C和负载R的另一端分别连接电源Vs的负极，其特征在于：开关管T的输出端与储能电感L2之间串联电感L1，电感L1的两端并联电容C1，电感L1和电容C1形成具有指定谐振频率的谐振电路。本实用新型的电路结构较低的成本且不影响电源功耗和散热来达到降低电源电磁辐射抑制对NB‑IoT通信的干扰。
Description
技术领域
本实用新型涉及通信领域，尤其涉及一种用于提升NB-IoT终端接收灵敏度的电源电路结构。
背景技术
目前，多数NB-IoT的终端由于需要超低能耗，而整机系统所需要不同电压值的电源，所以终端设计需要高效率的电源，往往采用DC-DC电源来实现不同电压值的转换。相对于LDO稳压电源的工作原理，DC-DC电源具有设计灵活，功耗低发热小的优点，比较适用于系统复杂且功耗要求高，发热小的应用场合。
但是DC-DC电源在工作的时候，利用的是电源开关切换加上电容电感的储能和释放能量来实现电压的调控和电压的稳定。由于有电源开关的切换，这个过程中造成大量的电磁杂散辐射，这些杂散辐射会干扰NB-IoT通信模组的通信天线。
如图1是开关典型的DC-DC电源在工作的时候的一个简化图形，通过这个图可以知道其工作的基本原理：VG是控制开关管T的控制信号，其一般是根据输入输出电压值设定的一个PWM信号，用于控制开关管T的导通和关断。二极管D是单向导通的器件，其导通与否取决于其两端电压差是否超过二极管的导通电压。电感L和电容C形成一个充放电的环路。R是负载。开关管T导通的时候，二极管D处于关断状态，电源VS给电感L和负载R供电，其中电感起到储能的作用，其电流方向图如图2所示。开关管T关断的时候，二极管D处于导通状态，此时电源Vs无法与负载连接电感继续给负载释放电流。其电流方向图如图3所示
如图4是DC-DC电源系统工作的时候各个部分电流电压的示意图，其中VG是指开关管T的控制信号，这个控制信号为高电平和低电平，用来控制开关管T的导通和关断。VEO是开关管T的E极的输出电压，其值由开关管开启关断直接控制开启的时候是VS的输出电压值vo是输出电压值，其值由电感等共同决定；从中可知其工作的时候会产生不断的电源开启和关断的动作，这个动作伴随着电流的变化，电流的变化将产生电磁场的辐射。而一定频率的电磁辐射若其辐射频率恰好与通信接收机频率相同，那么电磁辐射将会影响通信天线接收灵敏度。
如图2和图3所示在DC-DC工作的时候电流的环流路径，这个环流路径将形成一个闭合的线圈这将增加电磁杂散的辐射。所以在电路布局的时候要求这个设计这个圈的面积越小越有利于抑制电磁杂散的辐射。
现有技术在处理此类DC-DC电源干扰通信天线的问题的通常做法有如下几种：(1)将通信天线远离DC-DC电源，通过空间距离来降低DC-DC杂散辐射到通信天线的能量，来减小影响；只能适用于体积大天线可选位置多的终端，这种终端相对的可以选择天线位置远离DC-DC电源，通过拉开之间的空间距离来降低干扰信号大小；但是对于体积有限的终端由于天线与DC-DC电源电路之间的间距限值在有限的空间范围内，所以对于这种终端这种技术是不适用的。
(2)通过金属屏蔽层，如屏蔽罩将DC-DC电源部分加以电磁屏蔽；金属屏蔽层的技术会增加终端的生产成本，同时由于对电源进行屏蔽，不利于电源部分散热，会额外增加终端散热的问题，同时由于屏蔽金属罩子有一定的结构要求，这限制了DC-DC电源布局，增加布局难度。
(3)对DC-DC电源电路进行改进，设计可以控制开关频率变化的电路，通过改变DC-DC开关频率，让其频率值避开通信频率值来实现问题解决；仅适用于部分固定开关频率的DC-DC电路，由于开关频率是固定的，那么其产生的辐射杂散也是以开关频率为基频以及相关倍频的几个干扰频点。通过相关技术改变开关频率，那么对通信频率干扰的频点也相应的移走。如图5显示DC-DC工作开关频率是一个固定的值，其工作的时候产生固定的倍频信号，某个倍频信号与NB-IoT工作频率范围相重叠，此时将对NB-IoT通信造成实质的干扰影响。
如图6所示，该技术采用将DC-DC工作频率移开，其相对的产生的倍频信号也会相对的移走，这样移到NB-IoT工作频率范围之外就可以保证通信不收到干扰。
现有工程应用中多数的电源设计不再是这种单一开关工作频率的DC-DC电源，在实际的设计中，DC-DC开关电源是一个输出电压和电流动态调整的一个结果，目的是为了电源能达到最高的工作效率，其工作原理在此不再细述。此种DC-DC电源产生的辐射杂散也随着开关频率的调整在一定范围内波动，在加上开关中的其他因素，造成其产生的辐射杂散是覆盖全频道一个范围，通过单纯的改变开关频率无法将之移出工作频段范围之外。图7是这种电源工作产生的杂散辐射的示意图，从中可知在工作的时候产生的辐射杂散覆盖了整个频段范围，说明此种技术无法解决这种开关电源造成的干扰问题。
(4)对DC-DC电路布局进行优化，减小自身电路的电磁杂散辐射，来实现问题的改善；--如图2和图3所示电流环流路径示意图，可知在开关电源工作的时候电流的环流形成一个环路，这个环路是产生杂散信号辐射的重要路径，为此在布局的时候尽量减小这个环路形成的面积可以一定程度降低杂散辐射的能量大小，但是实际工程中由于每个器件有其固有的尺寸，比如电感L，电容C都有一定的尺寸大小，实际布局也要考虑生产加工的安全性，器件之间还要保持一定的间距保证贴片安全，这就意味着这个环路面积是无法无限制缩小的。这也是这中技术面临的问题。
(5)采用LDO稳压电源来代替DC-DC电源，LDO电源是相对于DC-DC电源的另一种电源技术，其工作原理是通过开关管线性的调控输出电压大小，没有开关的动作，不会产生开关的电磁辐射。可以有较为纯净的电磁环境。但是缺点是会产生较大的功耗损失并且同时产生大量的热量。对于功耗要求高的终端是不适用的，对此多数NB-IoT终端都无法采用此种电源。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种用于提升NB-IoT终端接收灵敏度的电源电路结构。
本实用新型采用的技术方案是：
一种用于提升NB-IoT终端接收灵敏度的电源电路结构，其包括电源Vs、开关管T、二极管D、电感L2、电容C和负载R；电源Vs的正极连接开关管T的输入端，开关管T的控制端连接控制信号VG，开关管T的输出端分别连接二极管D的阴极和电感L2的一端，电感L2的另一端分别连接电容C和负载R的一端，二极管D的阳极、电容C和负载R的另一端分别连接电源Vs的负极，其特征在于：开关管T的输出端与储能电感L2之间串联电感L1，电感L1的两端并联电容C1，电感L1和电容C1形成具有指定谐振频率的谐振电路。
进一步地，电感L1和L2的电感之和等于开关电源芯片所需储能电感的值。
进一步地，电感L1和电容C1形成的谐振频率为NB-IoT频段Band8所在频率940Mhz。
本实用新型还公开一种用于提升NB-IoT终端接收灵敏度的电源电路结构，其包括电源Vs、开关管T、二极管D、电感L2、电容C和负载R；电源Vs的正极连接开关管T的输入端，开关管T的控制端连接控制信号VG，开关管T的输出端分别连接二极管D的阴极和电感L2的一端，电感L2的另一端分别连接电容C和负载R的一端，二极管D的阳极、电容C和负载R的另一端分别连接电源Vs的负极，其特征在于：开关管T的输出端与储能电感L2之间串联电感L1，电感L1具有一定的寄生电容C’，寄生电容C’与电感L1构成并联的自谐振电路。
进一步地，电感L1和L2的电感之和等于开关电源储能所需的电感的值。
进一步地，电感L1是0603封装绕线电感，对应的寄生电容C’为0.29pF，L1参数为100nH，构成对NB-IoT工作频段Band8 940Mhz的辐射杂散抑制。
进一步地，开关管T采用电源芯片MP1470，开关管T的输出端为电源芯片MP1470的第2管脚。
本实用新型采用以上技术方案，采用电感和电容形成的对特定频率高阻抗特性的谐振回路，该谐振回路用于DC-DC电路的电流环路路径进行阻隔环流，从而到达特定频率(干扰频率)的杂散辐射，以此提升NB-IoT终端的通信性能。本实用新型的电路结构较低的成本且不影响电源功耗和散热来达到降低电源电磁辐射抑制对NB-IoT通信的干扰从而实现提升NB-IoT通信性能。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细说明；
图1为现有DC-DC电源结构示意图；
图2为现有DC-DC电源的开关管T导通时电流示意图；
图3为现有DC-DC电源的开关管T关断时电流示意图；
图4为现有DC-DC电源结的电流电压示意图；
图5为现有技术中固定开关频率工作产生杂散示意图；
图6为现有技术中开关频率偏移产生杂散示移出NB-IoT工作频率范围示意图；
图7为现有技术中开关形成杂散辐射包络覆盖整个频率范围示意图；
图8为本实用新型一种用于提升NB-IoT终端接收灵敏度的电源电路结构的结构示意图；
图9为本实用新型电路的频率与阻抗值的关系示意图；
图10为频率在谐振点的时候阻抗值理论上趋于无穷大时电源的等效电路；
图11为本实用新型在实际工程应用中用于NB-IoT终端的实际电路图之一；
图12为本实用新型一种用于提升NB-IoT终端接收灵敏度的电源电路结构的结构示意图之二；
图13为本实用新型在实际工程应用中用于NB-IoT终端的实际电路图之二。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图9或11所示，本实用新型公开了一种用于提升NB-IoT终端接收灵敏度的电源电路结构，其包括电源Vs、开关管T、二极管D、电感L2、电容C和负载R；电源Vs的正极连接开关管T的输入端，开关管T的控制端连接控制信号VG，开关管T的输出端分别连接二极管D的阴极和电感L2的一端，电感L2的另一端分别连接电容C和负载R的一端，二极管D的阳极、电容C和负载R的另一端分别连接电源Vs的负极，其特征在于：开关管T的输出端与储能电感L2之间串联电感L1，电感L1的两端并联电容C1，电感L1和电容C1形成具有指定谐振频率的谐振电路。
进一步地，电感L1和L2的电感之和等于开关电源芯片所需储能电感的值。
进一步地，电感L1和电容C1形成的谐振频率为NB-IoT频段Band8所在频率940Mhz。
具体地，开关管T是理想状态下简化的DC-DC电源电路的一个器件，起到开关电流的作用。现有实际工程应用中的DC-DC电路多采用集成的电源芯片(如MP1470)，这种电源芯片内部除了集成了开关管T和二极管D外，还集成了为了提升电源效率的反馈控制电路。而MP1470的电源输出管脚可以理解成是其内部开关管T的输出口；
如图12或13所示，本实用新型还公开一种用于提升NB-IoT终端接收灵敏度的电源电路结构，其包括电源Vs、开关管T、二极管D、电感L2、电容C和负载R；电源Vs的正极连接开关管T的输入端，开关管T的控制端连接控制信号VG，开关管T的输出端分别连接二极管D的阴极和电感L2的一端，电感L2的另一端分别连接电容C和负载R的一端，二极管D的阳极、电容C和负载R的另一端分别连接电源Vs的负极，其特征在于：开关管T的输出端与储能电感L2之间串联电感L1，电感L1具有一定的寄生电容C’，寄生电容C’与电感L1构成并联的自谐振电路。
进一步地，电感L1和L2的电感之和等于开关电源储能所需的电感的值。
进一步地，电感L1是0603封装绕线电感，对应的寄生电容C’为0.29pF，L1参数为100nH，构成对NB-IoT工作频段Band8 940Mhz的辐射杂散抑制。
进一步地，开关管T采用电源芯片MP1470，开关管T的输出端为电源芯片MP1470的第2管脚。
下面就本实用新型的具体工作原理做详细说明。
如图8所示是本实用新型的电路结构图，本电路结构在开关管与原有电感L之间串联电感L1，且在电感L1并联电容C1，L1和L2电感属于串联关系，知道电感的串联其电感值相加，所以，这两个电感串联可以当做DC-DC电源的储能电感。
在工作的时候储能过程中电感主要对开关的基频起到作用，因为实际的能量主要集中在基频上，而对于倍频特别是高倍频上能量非常小。
而L1和C1并联，利用电感和电容并联，其谐振频率具有极高的阻抗特性。在设计的时候可以将L1和C1的谐振点设计到NB-IoT工作的频率范围上，例如NB-IoT工作频段Band8的工作频率为940MHz左右。本实用新型根据谐振频点的公式计算所需的L1电感值和C1的电容值：
DC-DC电路的开关频率往往要远远小于NB-IoT的工作频率，也即在L1和C1形成的针对NB-IoT工作频率的谐振情况的时候，对DC-DC能量集中的基频的导通影响非常小。为了简化计算，本实用新型在处理基的时候进行了公式简化处理。
于是假设DC-DC电路所需要的储能电感值为L，将有关系式L＝L1+L2；而L的值是在电源设计的时候根据电源芯片的要求和输出电源电压和电流进行确定的。
在此基础上可以选定L1的值，然后根据公式
计算出C1的值，其中resF是谐振频点，这个频点要与NB-IoT工作的频率相对应，在此本实用新型选定为940Mhz。再根据公式L＝L1+L2推算出L2的值而完成参数选定。
接下来介绍这个电路结构的工作原理，由于电容电感并联其阻抗值的公式如下：
其中Z是阻抗值，f是频率，随着频率的增加阻抗值不同，其关系图如图9
可知，当频率在谐振点的时候阻抗值理论上趋于无穷大，此时电源的等效电路可以如如图10所示，由于此时谐振点附近频率的信号无法形成一个环路，其干扰辐射量很小，对通信造成的影响就很小。但是对于能量集中的基频影响很小可以保证电源电路的正常工作。
所以，本实用新型采用电感和电容形成的对特定频率高阻抗特性的谐振回路，该谐振回路用于DC-DC电路的电流环路路径进行阻隔环流，从而到达特定频率(干扰频率)的杂散辐射。以此提升NB-IoT终端的通信性能。
如图11是本实用新型在实际的工程应用中用于NB-IoT终端的一个实际电路图，本电路图采用MP1470开关电源芯片，该芯片集成了开关信号，反馈电路，以及内部二极管。外围电路需要搭建储能电感，电容和外围反馈采集电路。芯片2脚为电源输出口，电路的L18和C219构成了本实用新型串联的电感和电容，同时电感L18和电感L7构成了共同的储能部分，而L18和C219构成的电路断绝了NB-IoT工作频段940Mhz信号环路，抑制了此频率的杂散辐射。其中VBATT_7.4V是输入电源，ICC_USB_5.0V是输出电压。
现有实际工程应用中的DC-DC电路多采用集成的电源芯片(如MP1470)，这种电源芯片内部除了集成了开关管T和二极管D外，还集成了为了提升电源效率的反馈控制电路。而MP1470的电源输出管脚可以理解成是其内部开关管T的输出口，由于MP1470内部集成了二极管D，所以外部电路不再需要二极管，L18和L7构成电源的储能电感，C118和C119构成输出端的环路电容，R83、R84、R85构成输出反馈采样电路，而C115和C117是输入端的旁路电容，芯片第5管脚用于芯片工作的使能控制，芯片第6管脚以及电容C116用于信号的反馈。
实施例二：上述实施例中L1和C1是两个独立的电容和电感，由于在实际的工程中，电感的生产加工会伴随着寄生的电容。而这个寄生的电容的大小会根据电感的设计方式，材质，封装大小会有区别。但是不论如何都是存在这样一个寄生电容的。
本实施例中，L1和C1其中C1可以省略，利用电L1中的寄生容。而所需要做的就是找到合适的具有寄生电容的电感，且其自谐振频点在NB-IoT工作频段附近的电感。本实施例中，为了解决NB-IoT工作频率940Mhz上的干扰问题，可以采用0603封装绕线100nH参数的电感，由于0603封装的电感具有0.29pF的寄生电容，这个寄生电容与自身电感构成在940Mhz左右的自谐振频点，在本实用新型的电源电路结构中可以起到相对应的效果。
如图12所示，L1单独的电感，不再并联电容C1，但是由于L1电感可以等效成自身电感L1和寄生电容C’，只要找到合适的封装材质，加工方式的电感，其能起到相同的效果。
如图13是本实用新型在实际的工程应用中的另一个一个电路图，本电路图采用MP1470开关电源芯片，该芯片集成了开关信号，反馈电路，以及内部二极管。外围电路需要搭建储能电感，电容和外围反馈采集电路。芯片2脚为电源输出口，电路中的L18采用0603封装，绕线电感，其自身具有0.29pF的寄生电容，这部分电容与100nH电感构成自谐振电路可以同样抑制940Mhz信号在开关电路中形成环路。同时电感L18和电感L7构成了共同的储能部分。其中VBATT_7.4V是输入电源，ICC_USB_5.0V是输出电压。
现有实际工程应用中的DC-DC电路多采用集成的电源芯片(如MP1470)，这种电源芯片内部除了集成了开关管T和二极管D外，还集成了为了提升电源效率的反馈控制电路。而MP1470的电源输出管脚可以理解成是其内部开关管T的输出口，由于MP1470内部集成了二极管D，所以外部电路不再需要二极管，L18和L7构成电源的储能电感，C118和C119构成输出端的环路电容，R83、R84、R85构成输出反馈采样电路，而C115和C117是输入端的旁路电容，芯片第5管脚用于芯片工作的使能控制，芯片第6管脚以及电容C116用于信号的反馈。
本实用新型采用以上技术方案，采用电感和电容形成的对特定频率高阻抗特性的谐振回路，该谐振回路用于DC-DC电路的电流环路路径进行阻隔环流，从而到达特定频率(干扰频率)的杂散辐射，以此提升NB-IoT终端的通信性能。本实用新型的电路结构较低的成本且不影响电源功耗和散热来达到降低电源电磁辐射抑制对NB-IoT通信的干扰从而实现提升NB-IoT通信性能。
显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
Claims (7)
1.一种用于提升NB-IoT终端接收灵敏度的电源电路结构，其包括电源Vs、开关管T、二极管D、电感L2、电容C和负载R；电源Vs的正极连接开关管T的输入端，开关管T的控制端连接控制信号VG，开关管T的输出端分别连接二极管D的阴极和电感L2的一端，电感L2的另一端分别连接电容C和负载R的一端，二极管D的阳极、电容C和负载R的另一端分别连接电源Vs的负极，其特征在于：开关管T的输出端与储能电感L2之间串联电感L1，电感L1的两端并联电容C1，电感L1和电容C1形成具有指定谐振频率的谐振电路。
2.根据权利要求1所述的一种用于提升NB-IoT终端接收灵敏度的电源电路结构，其特征在于：电感L1和L2的电感之和等于开关电源芯片所需储能电感的值。
3.根据权利要求1所述的一种用于提升NB-IoT终端接收灵敏度的电源电路结构，其特征在于：电感L1和电容C1形成的谐振频率为NB-IoT频段Band8所在频率940Mhz。
4.一种用于提升NB-IoT终端接收灵敏度的电源电路结构，其包括电源Vs、开关管T、二极管D、电感L2、电容C和负载R；电源Vs的正极连接开关管T的输入端，开关管T的控制端连接控制信号VG，开关管T的输出端分别连接二极管D的阴极和电感L2的一端，电感L2的另一端分别连接电容C和负载R的一端，二极管D的阳极、电容C和负载R的另一端分别连接电源Vs的负极，其特征在于：开关管T的输出端与储能电感L2之间串联电感L1，电感L1具有一定的寄生电容C'，寄生电容C'与电感L1构成并联的自谐振电路。
5.根据权利要求4所述的一种用于提升NB-IoT终端接收灵敏度的电源电路结构，其特征在于：电感L1和L2的电感之和等于开关电源储能所需的电感的值。
6.根据权利要求4所述的一种用于提升NB-IoT终端接收灵敏度的电源电路结构，其特征在于：电感L1是0603封装绕线电感，对应的寄生电容C'为0.29pF，L1参数为100nH，构成对NB-IoT工作频段Band8 940Mhz的辐射杂散抑制。
7.根据权利要求4至6任一所述的一种用于提升NB-IoT终端接收灵敏度的电源电路结构，其特征在于：开关管T采用电源芯片MP1470，开关管T的输出端为电源芯片MP1470的第2管脚。
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