Powermanagement bei Funktransceivern

Leistung und Stromaufnahme im Transceiver skalieren

25. Juli 2022, 6:00 Uhr | Michelle Tan

Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Energieeinsparungen auf Kanalebene

Anders als die statischen Energieeinsparungen auf Komponentenebene, sind die Energieeinsparungen auf Kanalebene dynamisch. Sie wurden speziell für TDD-Anwendungen entwickelt. Wie in Bild 5 gezeigt, sind Sende- und Empfangsaktionen miteinander zeitlich gemultiplext. Wenn ein Kanal aktiv ist, dann ist der andere inaktiv und kann abgeschaltet werden, um die Leistungsaufnahme weiter zu senken. Anders als die Energieeinsparungen auf Komponentenebene, gibt es beim Abschalten des inaktiven Kanals keine Leistungseinbußen, aber es dauert länger, ihn für den normalen Betrieb wieder aufzuwecken.

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Eine Methode, um Kanäle ein- und auszuschalten, ist die steigenden und fallenden Flanken der Kanal-Aktivierungs-Signale (TX_ENABLE/RX_ENABLE) zu verwenden. Wie in Bild 5 zu sehen, beginnt der abgeschaltete Kanal bei der korrespondierenden ansteigenden Flanke des Aktivierungssignals aufzuwachen und es dauert etwas, bis er wieder voll in Betrieb ist. Sind mehrere Kanalkomponenten abgeschaltet, dann ist eine längere Aufwachzeit nötig. Ein Anwender sollte deswegen evaluieren, ob durch die erforderliche Aufweckzeit das Timing der Übertragungen auf den Sende- und Empfangskanälen in seiner TDD-Applikation auch eingehalten wird.

Drei unterschiedliche Energiesparmodi auf Kanalebene stehen zur Verfügung: Mode 0, Mode 1 und Mode 2. Jeder höhere Modus schaltet zusätzliche, dem Kanal zugeordnete Komponenten ab, was eine längere Aufwachzeit benötigt. Die Tabellen 2 und 3 fassen diese drei Modi mit den benötigten ungefähren Aufwachzeiten bei unterschiedlichen HF-PLL-Kalibriermodi und HF-PLL-Referenztaktraten zusammen.

Abgeschaltete Kanalkomponenten		Mode 0	Mode 1	Mode 2
Senden	Analoger und Digitaler Datenpfad	x	x	x
	Interne Tx-PLLs		x	x
	Tx-PLL-LDOs und Kanal-LDOs			x
Empfangen	Analoger und Digitaler Datenpfad	x	x	x
	Interne Rx-PLLs		x	x
	Rx-PLL-LDOs und Kanal-LDOs			x

Aufweckzeit bei unterschiedlichen Konfigurationen		Mode 0	Mode 1	Mode 2
Ungefähre Aufweckzeit [μs[ mit HF-PLL im normalen Kalibrier-Modus und unterschiedlichen HF-PLL-REF-CLK-Raten	RF-PLL-REF-CLK = 30 MHz	4,5	350	500
	RF-PLL-REF-CLK = 50 MHz		180	380
	RF-PLL-REF-CLK = 100 MHz		170	370
Ungefähre Aufweckzeit [μs] mit HF-PLL im schnellen Kalibrier-Modus und unterschiedlichen HF-PLL-REF-CLK-Raten	RF-PLL-REF-CLK = 30 MHz		100	300
	RF-PLL-REF-CLK = 50 MHz		60	260
	RF-PLL-REF-CLK = 100 MHz		40	240

Wie in den Tabellen 2 und 3 dargestellt, geht das Abschalten zusätzlicher Kanalkomponenten für einen höheren Energiesparmodus auf Kosten einer längeren Aufweckzeit. Falls der Anwender nicht einen anderen Modus konfiguriert, ist standardmäßig immer der Energiesparmodus 0 aktiviert. Wenn der Kanal deaktiviert ist, schaltet dieser Komponenten im analogen und digitalen Datenpfad wie Mixer, Umsetzer, Filter etc. ab. Im Mode 0 können nur die RX_ENABLE- und TX_ENABLE-Signale verwendet werden, um die Komponenten ein- und auszuschalten. Die Aufweckzeit liegt dabei nur bei rund 4,5 µs.

Der Kanalenergiesparmodus 1 schaltet darüber hinaus die interne PLL des Kanals ab. Wenn die PLL wieder versorgt wird, ist eine Kalibrierung zwingend notwendig, sodass die PLL-Aufweckzeit die eigentliche PLL-Hochfahrzeit und die Kalibrierzeit der PLL umfasst. Der ADRV9001 hat zwei Kalibrier-Modi: normal und schnell. Der schnelle Modus garantiert nicht wie der normale Modus ein Einrasten über den gesamten Temperaturbereich, ist aber besser geeignet, wenn ein Kanal während einer kurzen Zeitspanne bei einer bestimmten Frequenz verharrt.

Wie in Bild 2 gezeigt, benötigt der schnelle Modus weniger Kalibrierzeit als der Normal-Modus, deshalb kann die PLL schneller aufwachen. Zusätzlich reduziert eine höhere Taktrate der HF-PLL-Referenz die Kalibrierzeit für die PLL. Der Energiesparmodus 2 auf Kanalebene schaltet darüber hinaus auch noch die PLL-LDO- und Kanal-LDO-Regler ab. Er fügt eine feste Aufweckzeit hinzu, um die LDO-Regler wieder einzuschalten.

Die Messung der in Tabelle 3 angegebenen Aufweckzeit wurde bei der Standard-Systemtaktrate des ADRV9001 von 184,32 MHz durchgeführt. Wird ein kundenspezifisches Profil mit frei wählbarer Abtastrate verwendet, kann sich die Systemtaktrate ändern, was die Einschaltzeit der PLL entsprechend verändert. Eine geringere Systemtaktrate z.B. verlängert die erforderliche PLL-Hochfahrzeit. Der Anwender kann die Information über den Systemtakt aus der TES (Transceiver Evaluation Software) des ADRV9001 abrufen.

Die Modi 1 und 2 können wie im Modus 0 von der ansteigenden Flanke der RX_ENABLE- und TX_ENABLE-Signale getriggert werden. Für den Fall, dass sich ein Paar Sende- oder Empfangskanäle dieselbe PLL und ihre LDO-Regler teilen, wird die Energieeinsparung der Modi 1 und 2 limitiert, wenn ein Kanal aktiv ist, da die PLL und ihre LDO-Regler versorgt werden müssen.

Eine höhere Einsparung kann erzielt werden, wenn beide Kanäle deaktiviert sind. Anders als Mode 0 können die Modi 1 und 2 auch von einem vorab zugewiesenen DGPIO-Pin (digital general-purpose input/output) getriggert werden. Allerdings schaltet ein DGPIO-Pin beide Kanäle ein und aus. Deshalb lässt sich diese Methode nur verwenden, wenn sowohl Sende- als auch Empfangskanäle deaktiviert sind.

Bild 6 zeigt ein Beispiel für den Einsatz eines DGPIO-Pins zum triggern der Energiespar-Modi 1 und 2. In diesem Beispiel ist die gesamte TDD-Zeitspanne in mehrere Zeitrahmen aufgeteilt, wovon jeder aus vier Zeitschlitzen besteht. Der erste ist ein Sende-Zeitschlitz, gefolgt von zwei Ruhe-Zeitschlitzen und der letzte ist der Empfangs-Zeitschlitz. Standardmäßig ist Mode 0 immer aktiviert. Deshalb kann hier die DGPIO-Pin-Methode verwendet werden, um die Energiesparmodi 1 und 2 zu triggern und größere Einsparungen zu erreichen als nur Mode 0 allein.

Es ist wichtig zu betonen, dass die DGPIO-Pin-Methode immer höhere Kanal-Energiesparmodi triggern sollte als die in Bild 6 als Beispiel gezeigten RX_ENABLE- und TX_ENABLE-Signale. Die DGPIO-Pin-Methode hilft in diesem Szenario dabei, höhere Energieeinsparungen zu erzielen, wenn Mode 1 und 2 wegen einer nicht ausreichenden Übertragungszeit der Sende- und Empfangskanäle nicht von den RX_ENABLE- und TX_ENABLE-Signalen getriggert werden können.

In einigen TDD-Anwendungen kann ein Kanal zwar initialisiert sein, aber für eine lange Zeitspanne nicht benutzt werden. In diesem Fall gibt es für den Anwender einen API-Befehl, um den unbenutzten Kanal wie in Mode 2 – Datenpfade, PLL und LDO-Regler – abzuschalten. Dies versetzt den ungenutzten Kanal in den Schlafzustand (hibernate state). Bevor der Kanal wieder in Betrieb geht, kann ihn der Entwickler über einen weiteren API-Befehl aufwecken. Dies stellt sicher, dass die besten Energieeinsparungen auf Kanalebene für den ungenutzten Kanal erzielt werden. In nachfolgenden Abschnitten werden noch weitere Kanal/System-Zustände vorgestellt.

Um die erzielbaren Einsparungen dieser drei unterschiedlichen Modi auf Kanalebene zu demonstrieren, wird ein DMR-Profil mit einer Abtastrate von 24 kHz angelegt. In DMR-Handgeräten ist die Batteriebetriebszeit einer der Schlüsselfaktoren für die Kaufentscheidung eines Nutzers. Nach dem Einschalten wird das DMR-Handgerät zwischen drei unterschiedlichen Zuständen umgeschaltet: Senden, Empfangen und Ruhe. Ein typischer Zyklus wird dabei als 5-5-90 angegeben, was bedeutet, dass das Handgerät rund 5 % der Zeit im Sende-, 5 % der Zeit im Empfangs- und 90 % der Zeit im Ruhemodus verbringt. Üblicherweise muss dieser 5-5-90-Anwendungsfall als ein wichtiger Systemparameter im Datenblatt des DMR-Handgerätes angegeben sein.

Da die Energieaufnahme sehr kritisch ist in DMR-Applikationen, werden die besten Einsparungsoptionen auf Komponentenebene eingesetzt. Zusätzlich wird für ein Paar Sende- und Empfangskanäle nur eine PLL verwendet. Da der ADRV9001-Empfänger den ZF-Modus (IF, intermediate frequency) nutzt und sein Sender die Null-ZF-Modi einsetzt, werden die PLL stets neu abgestimmt, wenn ein Kanal auf einen anderen umschaltet.

Bild 7 zeigt eine allgemeine TDD-Timing-Konfiguration. T_Tx und T_Rx stehen dabei für die aktive Sende- bzw. Empfangszeit. T_Idle1 und T_Idle2 bezeichnen die Ruhezeit. Zur Vereinfachung ist die Aufweckzeit nicht angezeigt, da sie im Allgemeinen wesentlich kürzer ist, verglichen mit den aktiven und Ruhezeiten des Kanals. Deshalb ist sie auch unwesentlich zur Berechnung des Energiebedarfs.

Tabelle 4 präsentiert die während T_Tx und T_Rx und der Ruhezeit (T_Idle1/T_Idle2) gemessene Leistungsaufnahme bei den Energiesparmodi 0, 1 und 2 auf Kanalebene. Bei dieser Messung ist der LO auf 900 MHz konfiguriert.

Leistungsaufnahmemodus auf Kanalebene	Leistungsaufnahme [mW]
	P_Tx (nur Senden)	P_Rx (nur Empfangen)	P_Idle(Ruhe)
Modus 0	580	525	368
Modus 1	580	509	205
Modus 2	580	502	173

Mit Kenntnis der Leistungsaufnahme bei unterschiedlichen Zeitperioden, kann die durchschnittliche Leistungsaufnahme wie folgt berechnet werden:

$Error converting from MathML to accessible text.$

mit:

T_Total = T_Tx + T_Rx + T_Idle1 + T_Idle2

Für den typischen 5-5-90-Fall kann die durchschnittliche Leistungsaufnahme im Modus 2 mit 580 mW × 5 % + 502 mW × 5 % + 173 mW × 90 % berechnet werden, was rund 210 mW ergibt.

Wie in Tabelle 4 angegeben, sparen Mode 1 und 2 mehr Leistung in der Ruhephase, da die PLL und ihre entsprechenden LDO-Regler abgeschaltet werden können. Aber während der aktiven Kanalzeit – entweder Senden oder Empfangen – können die PLL und ihre LDO-Regler nicht abgeschaltet werden, da sie von beiden Kanälen gemeinsam genutzt werden. Deshalb sind die Energieeinsparungen durch das Herunterfahren nur der dem Ruhekanal zugeordneten Komponenten, wie den Kanal-LDO-Reglern, sehr begrenzt.