Sådan strømforsynes og beskyttes sporingsenheder til køretøjer for at sikre pålidelig drift

Moderne logistik- og forsyningskædeudfordringer kan afhjælpes ved at implementere sporing af køretøjer på tværs af erhvervskøretøjsflåder for at sikre effektivitet og virkningsfuldhed. Designere af sporingsenheder til køretøjer skal imidlertid konstruere til robusthed, hårde elektriske miljøer, høje niveauer af stød og vibrationer og store driftstemperaturer. Samtidig skal de stadig opfylde stigende krav til ydeevne, effektivitet og beskyttelse i mindre formfaktorer med større indgangsspændingsområder - typisk 4,5 til 60 volt jævnstrøm (DC).

Vigtigheden af beskyttelse kan ikke overvurderes i betragtning af driftsbetingelserne og aktivets værdi. Den skal typisk omfatte beskyttelse mod overstrøm, overspænding, underspænding og omvendt spænding for at sikre pålidelig drift og støtte en høj tilgængelighed.

Det kan være en udfordring at designe de strømkonverterings- og beskyttelseskredsløb, der er nødvendige for at opfylde disse driftskrav fra bunden. Selv om det kan føre til et fuldt optimeret design, kan det også føre til forsinket markedsføringstid, omkostningsoverskridelser og problemer med overholdelse af reglerne. I stedet kan designere henvende sig til standard DC/DC-konverterstrømforsyningsmoduler og beskyttelses-IC'er.

I denne artikel gennemgås strømforsyningskravene til sporingsenheder til køretøjer og skitseres, hvordan en typisk strømstyrings- og beskyttelsesarkitektur for disse enheder ser ud. Derefter præsenteres virkelige DC/DC-konvertermoduler og beskyttelses-IC'er fra Maxim Integrated Products, som designere kan bruge i disse applikationer. Der findes også relaterede evalueringskort og retningslinjer for layout af printkort (PC-printkort).

Krav til strømforsyning til sporingsudstyr til køretøjer

Køretøjets batteri er den primære strømkilde til sporingsenheder og er normalt 12 volt DC i forbrugerkøretøjer og 24 volt DC i erhvervskøretøjer. Aktivtrackere sælges som tilbehør til eftermarkedet og forventes at indeholde et genopladeligt backup-batteri, der er stort nok til at holde i et par dage. Desuden kræver disse enheder beskyttelse mod transiente og fejlbetingelser på køretøjets strømbus, og de omfatter normalt en kombination af step-down DC/DC-konvertere og LDO'er (low drop-out regulatorer) til at forsyne systemelementerne (figur 1).

Figur 1: Strømforsyningssystemet i en typisk enhed til sporing af aktiver/flådestyring omfatter to eller flere step-down DC/DC-konvertere, en LDO og en beskyttelses-IC. (Billedkilde: Maxim Integrated)

Da de installeres som eftermonteret udstyr, skal sporingsenhederne være så små som muligt, så de passer ind i de tilgængelige rum. Strømkonverteringselementerne skal være meget effektive for at give mulighed for længere levetid for enheden og længere backup fra et relativt lille batteri. Da enheder til sporing af aktiver generelt er placeret i forseglede kabinetter, er det vigtigt at minimere intern varmeudvikling, som kan have en negativ indvirkning på levetid og pålidelighed. Som følge heraf skal elsystemet give en optimal kombination af miniaturisering og høj effektivitet. LDO'er er kompakte, men de er ikke den mest effektive løsning.

I stedet kan designere anvende synkrone buck DC/DC-konvertere, der leverer høj konverteringsvirkningsgrad. F.eks. er 72 % effektivitet en typisk værdi for en synkron buck-konvertering fra 24 volt til 3,3 volt og 84 % effektivitet for en konvertering fra 24 volt til 5 volt. Brugen af synkrone DC/DC-konvertere resulterer i lavere varmeafgivelse, hvilket bidrager til større pålidelighed og giver mulighed for at bruge et mindre backup-batteri. Udfordringen består i at designe en kompakt løsning med den maksimale indgang på 60 volt DC, der kræves i disse applikationer.

Synkrone buck-IC'er vs. integrerede moduler

For at nå designmålene om lille størrelse og effektivitet kan designere vælge mellem løsninger baseret på synkrone DC/DC-konverter-IC'er eller integrerede DC/DC-konvertermoduler. En typisk 300 mA synkron buck-IC-løsning kræver et 2 mm² stort IC, en spole på ca. 4 mm², plus flere andre passive komponenter, der i alt fylder 29,3 mm² på pc-pladen. Alternativt giver Himalaya μSLIC-integrerede synkrone buck-moduler fra Maxim Integrated en løsning, der er 28 % mindre og kun fylder 21 mm² på pc-pladen (figur 2).

Figur 2: Sammenlignet med en konventionel buck-konverterimplementering (til venstre) optager en Himalaya μSLIC power module-løsning (til højre) 28 % mindre plads på printpladen. (Billedkilde: Maxim Integrated)

At gå lodret

Himalaya μSLIC power-moduler integrerer spolen og buck-konverter-IC'en vertikalt, hvilket resulterer i en betydelig reduktion af pladsen på pc-pladen sammenlignet med typiske planare løsninger. μSLIC-modulerne er beregnet til drift op til 60 volt DC-indgang og fra -40 til +125 °C. Selv med vertikal integration er de stadig lavt profilerede og kompakte i en 10-ben, 2,6 x 3 x 1,5 mm høj pakke (Figur 3).

Figur 3: I et Himalaya μSLIC strømforsyningsmodul er induktoren vertikalt integreret på IC'en for at minimere pladsen på printpladen. (Billedkilde: Maxim Integrated)

De højeffektive, synkrone buck-moduler MAXM15062/MAXM15063/MAXM15064 med høj effektivitet omfatter en integreret controller, MOSFET'er, kompensationskomponenter og en spole. De kræver kun få eksterne komponenter for at implementere en komplet højeffektiv DC/DC-løsning (Figur 4). Disse moduler kan levere op til 300 mA og fungere over et indgangsspændingsområde på 4,5 til 60 volt DC. MAXM15064 har en udgang, der kan justeres fra 0,9 til 5 volt DC, mens MAXM15062 og MAXM15063 har faste udgange på henholdsvis 3,3 og 5 volt DC.

Figur 4: MAXM15064 kræver kun tre kondensatorer og to modstande for at lave en komplet buck-konverterløsning. (Billedkilde: Maxim Integrated)

Disse moduler har en arkitektur til styring af spidsstrømstilstand, der giver fordelene ved en strømbegrænsning cyklus for cyklus, indbygget kortslutningsbeskyttelse og god transient respons. De har en fast 4,1 millisekunder (ms) blød starttid for at reducere indstrømningsstrømmene. Designere kan anvende disse effektive buck-konvertermoduler til at strømline designprocessen, reducere produktionsrisici og fremskynde markedsføringen.

Evalueringskits viser gennemprøvede designs

MAXM15064EVKIT#-evalueringskittet indeholder et gennemprøvet design til evaluering af MAXM15064 synkront buck-modulet (Figur 5). Den er programmeret til at levere 5 volt DC til belastninger på op til 300 mA. Den er udstyret med en justerbar underspændingslås ved indgangen, et open-drain RESET-signal og en valgfri pulsbreddemodulation (PWM) eller pulsfrekvensmodulation (PFM). PFM-tilstand kan bruges til at opnå højere effektivitet ved lav belastning. Den overholder CISPR22 (EN55022) klasse B lednings- og strålingsemissioner og har en effektivitet på 78,68 % med en 48-volts DC-indgang og en udgang på 200 mA.

Figur 5: MAXM15064EVKIT# er et evalueringssæt med 5 volts DC-udgang til MAXM15064, der kan levere op til 300 mA. (Billedkilde: Maxim Integrated)

Beskyttelses-IC'er

Designere kan bruge MAX176xx justerbare overspændings- og overstrømsbeskyttelses-IC'er sammen med MAXM1506x synkrone buck-moduler for at opnå en komplet systemløsning. Disse IC'er er i en 12-bens TDFN-EP-pakke og er designet til at beskytte systemer mod negative og positive indgangsspændingsfejl fra -65 til +60 volt. De har en intern felteffekttransistor (FET) med en typisk tændingsmodstand (R_ON) på kun 260 milliohm (mΩ). Indgangens overspændingsbeskyttelsesområde kan programmeres fra 5,5 til 60 volt, mens indgangens underspændingsbeskyttelsesområde kan justeres fra 4,5 til 59 volt. Eksterne modstande bruges til at indstille tærskelværdierne for overspændingslåsning (OVLO) og underspændingslåsning (UVLO) for indgangen.

Strømbegrænsningsbeskyttelsen kan programmeres med en modstand på op til 1 ampere (A) for at hjælpe med at kontrollere indløbsstrømmene ved opladning af store udgangsfilterkondensatorer. Strømgrænsen kan implementeres i tre tilstande: Automatisk gentagelse, latch-off eller kontinuerlig. Spændingen på SETI-stiften er proportional med den øjeblikkelige strøm og kan aflæses af en analog-til-digital-konverter (ADC). Disse IC'er har et driftstemperaturområde på -40 til +125 °C og omfatter termisk nedlukning for at beskytte mod for høje temperaturer. Der kan anvendes en valgfri overspændingsafbryder i applikationer, hvor der forventes høje indgangsoverspændingsstrømme (Figur 6). Der er tre IC'er i familien:

• MAX17608 beskytter mod overspænding, underspænding og omvendt spænding.
• MAX17609 beskytter mod overspænding og underspænding.
• MAX17610 beskytter mod omvendt spænding.

Figur 6: Typisk integration af beskyttelses-IC'erne MAX17608 og MAX17609 med den valgfrie overspændingsundertrykker (til venstre) til applikationer med høj indgangssurspænding. (Billedkilde: Maxim Integrated)

Evalueringssæt til beskyttelses-IC'er

MAX17608EVKIT, MAX17609EVKIT og MAX17610EVKIT gør det muligt for designere at evaluere ydelsen af henholdsvis MAX17608, MAX17609 og MAX17910 (Figur 7). MAX17608EVKIT er f.eks. et fuldt monteret og testet printkort til evaluering af MAX17608. Den er beregnet til 4,5 til 60 volt og 1 A, med beskyttelse mod underspænding, overspænding, omvendt spænding og fremad/bagud-strømsbegrænsning. MAX17608EVKIT kan konfigureres til at demonstrere justerbar underspændings- og overspændingsbeskyttelse, tre strømgrænsetilstande og forskellige tærskelværdier for strømgrænser.

Figur 7: Evalueringskort som MAX17608EVKIT# til MAX17608 er også tilgængelige for MAX17609 og MAX17610 beskyttelses-IC'erne. (Billedkilde: Maxim Integrated)

Retningslinjer for layout af pc-kort

Når MAX1506x og MAX176xx skal udformes, skal nogle grundlæggende retningslinjer overholdes for at opnå et vellykket design. For eksempel for MAX1506x:

• Indgangskondensatorer bør være så tæt som muligt på IN- og GND-stifterne.
• Udgangskondensatoren skal være så tæt som muligt på OUT- og GND-stifterne.
• Feedback-modstandsdele (FB) skal være så tæt som muligt på FB-stiften.
• Brug korte strømledninger og belastningsforbindelser.

For MAX176xx:

• Hold alle spor så korte som muligt; dette minimerer eventuelle parasitære induktanser og optimerer switchens responstid på udgangskortslutninger.
• Ind- og udgangskondensatorer bør ikke være mere end 5 mm fra enheden; tættere på er bedre.
• IN- og OUT-stifterne skal være forbundet til strømbussen med korte, brede spor.
• Det anbefales at anvende termiske vias fra den udsatte pude til jordpladen for at forbedre den termiske ydeevne, især ved kontinuerlig strømgrænsetilstand.

Som reference viser figur 8 både MAXM17608 og MAXM15062 og deres respektive positioner i strømkæden.

Figur 8: Et typisk blokdiagram til sporing af aktiver, der viser, hvor synkrone buck-konvertere og beskyttelses-IC'er fra Maxim Integrated passer ind. (Billedkilde: Maxim Integrated)

Konklusion

Som det fremgår, kan designere anvende MAX1506x højeffektive, synkrone buck-moduler med høj effektivitet og MAX176xx beskyttelses-IC'erne til at implementere en komplet strøm- og beskyttelsesløsning til enheder til sporing af køretøjsaktiver. Ved at følge bedste praksis under implementeringen kan den resulterende løsning være effektiv, kompakt og robust, samtidig med at produktionsrisici og problemer med overholdelse af reglerne minimeres.

Anbefalet læsning

1. Brug en Cellular- og GPS SiP til hurtig implementering af aktivsporing til landbrug og intelligente byer
2. Hurtigt design af systemer til lokaliseringssporing ved hjælp af GNSS-moduler
3. Hurtig implementering af GNSS-moduler til positionering med flere konstellationer