Trong các thiết bị di động cá nhân như điện thoại di động, hoạt động GPS có thể tiêu thụ điện nhiều như màn hình hiển thị. Do đó, quản lý năng lượng hiệu quả của các mạch GPS có thể có một tác động đáng kể đến tuổi thọ pin của hệ thống như một toàn thể. Mặc dù yêu cầu ứng dụng phần lớn sẽ dẫn đến những giới hạn hiệu quả cho việc bảo vệ nguồn GPS, các kỹ sư có thể mong đợi kiểm soát được điện năng tiêu thụ trong quá trình sửa GPS ban đầu và trong các trạng thái yên tĩnh của GPS.

Để thiết lập bản sửa lỗi GPS ban đầu, các thiết bị GPS yêu cầu dữ liệu bản ghi dữ liệu, dữ liệu về dữ liệu vị thành niên và bản sửa lỗi vệ tinh. Dữ liệu về Ephemeris cung cấp ngày và thời gian hiện tại cũng như dữ liệu về vệ tinh vệ tinh và thường có thể đạt được trong vòng 30 đến 120 giây. Dữ liệu Almanac cung cấp thông tin về vị trí vệ tinh trong cả ngày và là chi phí tốn kém nhất để cập nhật trong các hệ thống GPS độc lập, đòi hỏi phải mất vài phút để tải xuống ở tốc độ 50 bps có sẵn để tải về từ vệ tinh. GPS được hỗ trợ hoặc A-GPS, các phương pháp có thể sử dụng kết nối không dây cục bộ để truy cập vào Internet để tải dữ liệu về dữ liệu của alm
anac nhanh hơn tải trực tiếp.

Cùng với dữ liệu của almanac và ephemeris, thiết bị GPS yêu cầu khóa tín hiệu với ít nhất bốn vệ tinh để tính toán vĩ độ, kinh độ, độ cao và thời gian. Thời gian cần thiết để cung cấp tập đầu tiên của các kết quả này được gọi là Thời gian để Đầu tiên Fix (TTFF) và thường là trọng tâm của nỗ lực bảo tồn năng lượng trong thiết kế GPS.

Thông số kỹ thuật cho TTFF thường được cung cấp trong ba bối cảnh:

• Khởi động lạnh – bộ tiếp nhận GPS không có dữ liệu thời gian lưu giữ hoặc dữ liệu bản ghi hợp lệ, buộc sự chậm trễ kéo dài để thu thập dữ liệu
• Khởi động ấm – người nhận không có dữ liệu nhịn ăn, nhưng dữ liệu almanac hợp lệ và thông tin vị trí được lưu trữ gần đây nhất vẫn còn hợp lệ – kết quả là sự chậm trễ 30 giây để thu thập dữ liệu
• Hot start – người nhận có dữ liệu ephemeris và almanac hợp lệ và một thông tin sửa chữa vị trí gần đây hợp lệ, thường dẫn đến sự chậm trễ trong một giây để đạt được một sửa chữa

Trong một phạm vi rộng lớn, thách thức chính trong quản lý điện năng GPS là sử dụng các chiến lược để giảm tiêu thụ điện năng GPS trong thời gian khởi động lạnh và ấm áp, đặc biệt. Đồng thời, tối đa hóa hiệu suất của máy thu GPS là rất cần thiết để đảm bảo thu được tín hiệu nhanh nhất có thể ở tất cả các giai đoạn của quá trình sửa chữa vị trí. Ví dụ, các kỹ sư cần tối ưu hóa hiệu suất ăng-ten. Ăng ten thu thấp sẽ làm giảm độ nhạy của máy thu, có thể mở rộng TTFF ở bất kỳ chế độ hoạt động nào. Hơn nữa, một nguồn năng lượng sạch sẽ được yêu cầu để giúp giảm thiểu các nguồn tiếng ồn có thể đóng góp cho con số tiếng ồn tổng thể trong chuỗi tín hiệu thu. Một nguồn năng lượng ồn sẽ làm tăng con số tiếng ồn và do đó làm giảm độ nhạy của máy thu.

Cùng với các kỹ thuật này, tuy nhiên, các thiết bị GPS tự cung cấp các tính năng khác nhau có thể giúp các nhà thiết kế giảm thiểu điện năng tiêu thụ trong các ứng dụng địa hoá nhạy cảm. Chẳng hạn, Skyworks SE4110L GPS IC (Hình 1) cung cấp ba cấp độ điều khiển công suất – chế độ chờ, dao động và hoạt động. Trong chế độ hoạt động, thiết bị tiêu thụ chỉ 10 mA, có thể giảm thêm 0,4 mA bằng cách sử dụng bộ dao động bên ngoài chứ không phải bộ dao động tinh thể bên trong của IC để cung cấp tần số tham chiếu. Đối với một số ứng dụng, các kỹ sư cũng có thể chọn tắt LNA bên trong, tiết kiệm thêm 1,9 mA. Trong chế độ dao động chỉ, thiết bị tiêu thụ 1 mA, và chế độ chờ chỉ cần 3 μA (typ) hoặc 10 μA (tối đa). IC GPS Skyworks SE4150L tiêu thụ 15 mA ở chế độ hoạt động và có đặc điểm kỹ thuật chế độ chờ 10 μA. Các kỹ sư cũng có thể vô hiệu hóa LNA bên trong trên thiết bị này để tiết kiệm được 5 mA.

Hình 1: Hệ thống định vị toàn cầu GPS như Skyworks SD4110L cung cấp các chế độ điều khiển điện cho phép các kỹ sư giảm điện năng đáng kể tùy thuộc vào yêu cầu của ứng dụng. (Được phép của Skyworks)
Đối với thiết bị GPS MAX2769 GPS của mình (Hình 2), Maxim Integrated Products cung cấp khả năng quản lý điện năng gia tăng, trong đó các kỹ sư có thể cân bằng hiệu suất với mức tiêu thụ điện năng bằng cách lập trình có chọn lọc dòng điện thiên vị của từng khối trên chip với các giá trị tối thiểu được đề nghị. Một chế độ tiết kiệm điện tiện lợi thiết lập dòng LNA, máy trộn, LO, và VCU với các giá trị tối thiểu của chúng.

Hình 2: Maxim Integrated MAX2769 GPS IC cho phép các kỹ sư lựa chọn một cách có chọn lọc mức tiêu thụ điện năng trong từng hệ thống con trên chip. Giảm sức mạnh khi các yêu cầu ứng dụng cho phép làm giảm chức năng trong hệ thống con bị ảnh hưởng. (Được phép của Maxim Integrated Products)
Các thiết lập khác trong IC MAX2
769 chuyển PLL từ chế độ phân số-N sang chế độ số nguyên-tiết kiệm năng lượng và cấu hình lại bộ lọc băng gốc từ bộ lọc Butterworth thứ 3 đến bộ lọc Butterworth độ sâu bandpass thứ 5. Mặc dù chế độ công suất thấp này làm giảm mức tiêu thụ 10 mA, nhưng nó cũng làm cho con số tạp âm tăng lên 3.8 dB. Tiêu thụ điện năng ở chế độ hoạt động điển hình phụ thuộc vào cấu hình: Thiết bị bao gồm hai LNA được bật riêng biệt có và không có ăng ten hoạt động. Nếu không có một ăng-ten mà LNA1 đang hoạt động, vi mạch tiêu thụ 18 mA nhưng cung cấp một tiếng ồn là 1,4 dB. Với một ăng-ten nơi LNA2 hoạt động, điện năng tiêu thụ giảm xuống còn 15 mA nhưng con số tiếng ồn tăng lên đến 2,7 dB.

Các kỹ sư cũng có thể lựa chọn từ nhiều mô-đun GPS có sẵn để có thể thực hiện các chế độ bảo vệ năng lượng cấp độ tinh vi hơn. Chẳng hạn, TelitJupiter F2 cung cấp chế độ theo dõi năng lượng thấp chỉ tiêu thụ 10 mA. Telit bao gồm các tính năng tiết kiệm năng lượng bổ sung trong loạt mô-đun Jupiter. Ví dụ, các mô-đun Jupiter có một chế độ TricklePower giảm sức mạnh bằng cách thích ứng với cường độ tín hiệu sGPS, chuyển sang toàn bộ sức mạnh trong các khu vực tín hiệu yếu và công suất thấp ở các vị trí có tín hiệu GPS mạnh. Trong chế độ này, mô-đun Jupiter 32xLP của Telit đạt được mức tiết kiệm điện tới 50% trong khi hoạt động với cập nhật 1 giây. Modul 32xLP cũng cung cấp chế độ Push-To-Fix, giúp hệ thống GPS ở chế độ ngủ yên cho đến khi được kích hoạt bởi tín hiệu wakeup. Đồng thời, thiết bị có thể tự động đánh thức và làm mới dữ liệu về dữ liệu tạm thời để đảm bảo TTFF ngắn khi tín hiệu wakeup bật lại chế độ hoạt động.

Các kỹ sư có thể tìm thấy nhiều chế độ tiết kiệm năng lượng có sẵn trong các mô đun GPS hiện có khác như môđun GPS Antenova Radionova , mô-đun GPS Taiyo Yuden GYSFFMAXX , mô-đun GPS Linx Technologies SR và SG GPS và mô-đun GPS LM47 LM477 và LM478. Phần lớn được dự định cho các ứng dụng GPS đòi hỏi khắt khe hơn, các mô đun này thường cung cấp các khả năng phức tạp hơn với chi phí yêu cầu điện năng lớn hơn. Tuy nhiên, các kỹ sư có thể tìm thấy một loạt các chế độ tiết kiệm năng lượng trong mỗi mô-đun trong lớp này.

Tóm lược

Khi nhu cầu phát triển về các tính năng nội địa hóa trong các thiết bị di động, các kỹ sư phải đối mặt với những thách thức trong việc đáp ứng các yêu cầu cập nhật GPS yêu cầu với sự cần thiết phải kéo dài tuổi thọ pin trong các thiết bị này. Trên thực tế, mạch GPS có thể tiêu thụ nhiều năng lượng như các hệ thống con hiển thị trong các ứng dụng di động, đặc biệt khi phải cập nhật vị trí liên tục. Để giải quyết những thách thức này, các kỹ sư có thể kết hợp phương pháp bảo tồn năng lượng dựa trên hệ thống với các tính năng quản lý điện năng dựa trên phần cứng có sẵn trong các IC và mô-đun GPS. Bằng cách chọn chế độ năng lượng thấp có sẵn trong các IC và mô-đun, các nhà thiết kế có thể cung cấp các chức năng GPS tinh vi với tác động thấp nhất có thể đối với tuổi thọ pin.