Cum să alimentați și să protejați dispozitivele de urmărire a vehiculelor pentru a asigura o funcționare fiabilă

Provocările moderne ale logisticii și ale lanțului de aprovizionare pot fi abordate prin implementarea urmăririi vehiculelor în cadrul flotelor de vehicule comerciale pentru a asigura eficiența și eficacitatea. Cu toate acestea, proiectanții dispozitivelor de urmărire a vehiculelor trebuie să le proiecteze pentru robustețe, medii electrice dure, niveluri ridicate de șocuri și vibrații și intervale largi ale temperaturii de funcționare. În același timp, acestea trebuie să îndeplinească cerințe tot mai mari de performanță, eficiență și protecție în factori de formă mai mici, cu intervale mai ample de tensiune de intrare – de obicei, de la 4,5 la 60 de volți curent continuu (c.c.).

Importanța protecției nu poate fi supraestimată, având în vedere condițiile de funcționare și valoarea activelor. În general, aceasta trebuie să includă protecție pentru supracurent, supratensiune, subtensiune și tensiune inversă pentru a asigura o funcționare fiabilă și pentru a susține niveluri ridicate de disponibilitate.

Proiectarea de la zero a circuitelor de conversie a puterii și de protecție necesare pentru a îndeplini aceste cerințe operaționale poate fi o provocare. Deși acest lucru poate duce la un proiect complet optimizat, poate rezulta și în întârzieri în ceea ce privește lansarea pe piață, depășiri de costuri și probleme de conformitate. În schimb, proiectanții pot utiliza modulele de alimentare cu convertoare c.c./c.c. și circuite integrate de protecție din comerț.

Acest articol trece în revistă cerințele de alimentare pentru dispozitivele de urmărire a vehiculelor și descrie cum arată o arhitectură tipică de gestionare și protecție a energiei pentru aceste dispozitive. Apoi, prezintă modulele convertoarelor c.c./c.c. și circuitele integrate de protecție din lumea reală de la Maxim Integrated Products pe care proiectanții le pot utiliza în aceste aplicații. De asemenea, sunt furnizate plăci de evaluare aferente și instrucțiuni de dispunere a plăcilor cu circuite imprimate (PCB).

Cerințe de alimentare a dispozitivului de urmărire a vehiculelor

Bateria vehiculului este sursa primară de alimentare pentru dispozitivele de urmărire și este, de obicei, de 12 volți c.c. în cazul vehiculelor de consum și de 24 de volți c.c. în cazul camioanelor comerciale. Dispozitivele de urmărire a activelor sunt vândute ca accesorii pe piața post-vânzare și se așteaptă să includă o baterie de rezervă reîncărcabilă, suficient de mare pentru a rezista câteva zile. În plus, aceste dispozitive necesită protecție împotriva condițiilor tranzitorii și de defecțiune pe magistrala de alimentare a vehiculului și includ, de obicei, o combinație de convertoare c.c./c.c. de coborâre și regulatoare cu cădere redusă (LDO) pentru alimentarea elementelor sistemului (Figura 1).

Figura 1: sistemul de alimentare al unui dispozitiv tipic de urmărire a activelor/gestionare a flotei include două sau mai multe convertoare c.c./c.c. de coborâre, un LDO și un circuit integrat de protecție. (Sursă imagine: Maxim Integrated)

Deoarece sunt instalate ca articole pentru piața post-vânzare, dispozitivele de urmărire a activelor trebuie să fie cât mai mici posibil pentru a se potrivi în spațiile disponibile. Componentele de conversie a energiei trebuie să fie foarte eficiente pentru a permite o durată de viață mai lungă a dispozitivului și o autonomie mai mare de la o baterie relativ mică. Deoarece dispozitivele de urmărire a activelor sunt, în general, în carcase sigilate, este important să se reducă la minimum generarea de căldură internă care ar putea avea un impact negativ asupra duratei de viață și a fiabilității. Prin urmare, sistemul de alimentare trebuie să ofere o combinație optimă de miniaturizare și eficiență ridicată. În timp ce LDO-urile sunt compacte, ele nu sunt cea mai eficientă opțiune.

În schimb, proiectanții pot folosi convertoare c.c./c.c. sincrone de coborâre care oferă randamente de conversie ridicate. De exemplu, o eficiență de 72% este o valoare tipică pentru o conversie sincronă de 24 de volți la 3,3 volți și o eficiență de 84% pentru o conversie de 24 de volți la 5 volți. Utilizarea convertoarelor sincrone c.c./c.c. duce la o disipare termică mai mică, ceea ce contribuie la o fiabilitate mai mare și la posibilitatea de a utiliza o baterie de rezervă mai mică. Provocarea constă în proiectarea unei soluții compacte cu o intrare nominală maximă de 60 de volți c.c. necesară în aceste aplicații.

Circuite integrate sincrone de coborâre vs. module integrate

Pentru a atinge obiectivele de proiectare în ceea ce privește dimensiunile reduse și eficiența, proiectanții pot alege între soluții bazate pe circuite integrate de convertoare c.c./c.c. sincrone sau module integrate de convertoare c.c./c.c.. O soluție tipică de circuit integrat sincron de 300 mA necesită un circuit integrat de 2 milimetri pătrați (mm²), un inductor de aproximativ 4 mm², plus alte câteva componente pasive, ocupând în total 29,3 mm² de pe suprafața plăcii PCB. Alternativ, modulele integrate sincrone de coborâre Himalaya μSLIC de la Maxim Integrated oferă o soluție cu 28% mai mică, ocupând doar 21 mm² din suprafața de pe placa PCB (Figura 2).

Figura 2: în comparație cu implementarea unui convertor de coborâre convențional (stânga), o soluție de modul de alimentare Himalaya μSLIC (dreapta) ocupă cu 28% mai puțin spațiu pe placă. (Sursă imagine: Maxim Integrated)

Alegerea direcției verticale

Modulele de alimentare Himalaya μSLIC integrează vertical inductorul și circuitul integrat de coborâre al convertorului, ceea ce duce la o reducere semnificativă a spațiului pe placa PCB în comparație cu soluțiile planare tipice. Modulele μSLIC sunt proiectate pentru funcționare până la 60 volți c.c. la intrare și la temperaturi cuprinse între -40 și +125 °C. Chiar și cu integrarea verticală, acestea încă au profil redus și sunt compacte într-o capsulă cu 10 pini, cu o înălțime de 2,6 x 3 x 1,5 mm (Figura 3).

Figura 3: într-un modul de alimentare Himalaya μSLIC, inductorul este integrat vertical pe circuitul integrat pentru a minimiza spațiul pe placă. (Sursă imagine: Maxim Integrated)

Modulele MAXM15062/MAXM15063/MAXM15064 sincrone de coborâre, de înaltă eficiență, includ un controler integrat, MOSFET-uri, componente de compensare și un inductor. Acestea necesită doar câteva componente externe pentru a implementa o soluție c.c./c.c. completă de înaltă eficiență (Figura 4). Aceste module pot furniza până la 300 mA și pot funcționa într-o gamă de tensiuni de intrare de la 4,5 la 60 de volți c.c. MAXM15064 are o ieșire reglabilă de la 0,9 la 5 volți c.c., în timp ce MAXM15062 și MAXM15063 au ieșiri fixe de 3,3 și respectiv 5 volți c.c.

Figura 4: MAXM15064 necesită doar trei condensatoare și două rezistoare pentru a realiza o soluție completă cu convertor de coborâre. (Sursă imagine: Maxim Integrated)

Aceste module au o arhitectură de control în modul de control al curentului de vârf care oferă avantajele limitării curentului ciclu cu ciclu, protecție inerentă împotriva scurtcircuitelor și un răspuns bun la fenomenele tranzitorii. Acestea au un timp fix de pornire treptată de 4,1 milisecunde (ms) pentru a reduce curenții de anclanșare. Proiectanții pot utiliza aceste module convertoare de coborâre eficiente pentru a simplifica procesul de proiectare, a reduce riscurile de fabricație și a accelera timpul de lansare pe piață.

Kiturile de evaluare prezintă proiecte dovedite

Kitul de evaluare MAXM15064EVKIT# oferă un proiect dovedit pentru evaluarea modulului sincron de coborâre MAXM15064 (Figura 5). Acesta este programat să furnizeze 5 volți c.c. pentru sarcini de până la 300 mA. Dispune de un semnal de resetare cu drenă deschisă și blocare la subtensiune cu intrare reglabilă și un mod selectabil de modulație în lățime a impulsurilor (PWM) sau de modulație în frecvență a impulsurilor (PFM). Modul PFM poate fi utilizat pentru a oferi o eficiență mai mare la sarcini ușoare. Acesta este în conformitate cu emisiile conduse și radiate CISPR22 (EN55022) clasa B și oferă o eficiență de 78,68% cu o intrare de 48 de volți c.c. și o ieșire de 200 mA.

Figura 5: MAXM15064EVKIT# este un kit de evaluare a ieșirii de 5 volți c.c. pentru MAXM15064 care poate furniza până la 300 mA. (Sursă imagine: Maxim Integrated)

Circuite integrate de protecție

Proiectanții pot utiliza circuitele integrate de protecție reglabilă la supratensiune și supracurent MAX176xx împreună cu modulele sincrone de coborâre MAXM1506x pentru o soluție de sistem completă. Aceste circuite integrate se află într-o capsulă TDFN-EP cu 12 pini și sunt concepute pentru a proteja sistemele de defectele de tensiune de intrare negativă și pozitivă de la -65 la +60 volți. Acestea au un tranzistor intern cu efect de câmp (FET) cu o rezistență de pornire tipică (R_ON) de numai 260 miliohmi (mΩ). Intervalul de protecție la supratensiune de intrare este programabil de la 5,5 la 60 de volți, în timp ce intervalul de protecție la subtensiune de intrare poate fi reglat de la 4,5 la 59 de volți. Rezistoarele externe sunt utilizate pentru a seta pragurile de blocare a supratensiunii de intrare (OVLO) și de blocare a subtensiunii (UVLO).

Protecția de limitare a curentului poate fi programată cu un rezistor de până la 1 amper (A) pentru a ajuta la controlul curenților de anclanșare la încărcarea condensatoarelor de filtrare de ieșire mari. Limitarea curentului poate fi implementată în trei moduri: reîncercare automată, blocare sau continuă. Tensiunea de pe pinul SETI este proporțională cu curentul instantaneu și poate fi citită de un convertor analogic-digital (ADC). Aceste circuite integrate au o gamă de temperaturi de funcționare de la -40 la +125 °C și includ oprirea termică pentru a proteja împotriva temperaturilor excesive. Un dispozitiv opțional de suprimare a supratensiunii poate fi utilizat în aplicații care anticipează curenți de supratensiune de intrare ridicată (Figura 6). Există trei circuite integrate în această familie:

• MAX17608 protejează împotriva supratensiunii, subtensiunii și tensiunii inverse.
• MAX17609 protejează împotriva supratensiunii și subtensiunii.
• MAX17610 protejează împotriva tensiunii inverse.

Figura 6: integrarea tipică a circuitelor integrate de protecție MAX17608 și MAX17609 care prezintă supresorul de supratensiune opțional (stânga) pentru aplicații cu supratensiune de intrare ridicată. (Sursă imagine: Maxim Integrated)

Kituri de evaluare pentru circuitele integrate de protecție

MAX17608EVKIT, MAX17609EVKIT și MAX17610EVKIT permit proiectanților să evalueze performanța MAX17608, MAX17609 și, respectiv, MAX17910 (Figura 7). De exemplu, MAX17608EVKIT este o placă de circuit complet asamblată și testată pentru evaluarea MAX17608. Aceasta este evaluată pentru 4,5 până la 60 de volți și 1 A, cu protecție la subtensiune, supratensiune, tensiune inversă și limită de curent direct/invers. MAX17608EVKIT poate fi configurat pentru a demonstra protecția reglabilă la subtensiune și supratensiune, trei moduri de limitare a curentului și diverse praguri de limitare a curentului.

Figura 7: plăcile de evaluare, cum ar fi MAX17608EVKIT# pentru MAX17608, sunt disponibile și pentru circuitele integrate de protecție MAX17609 și MAX17610. (Sursă imagine: Maxim Integrated)

Îndrumări privind dispunerea plăcii PCB

La configurarea MAX1506x și MAX176xx, trebuie respectate câteva reguli de bază pentru un proiect de succes. De exemplu, pentru MAX1506x:

• Condensatoarele de intrare trebuie să fie cât mai aproape posibil de pinii IN și GND.
• Condensatorul de ieșire trebuie să fie cât mai aproape posibil de pinii OUT și GND.
• Divizoarele rezistoarelor de reacție (FB) trebuie să fie cât mai aproape posibil de pinul FB.
• Folosiți trasee de alimentare și conexiuni de sarcină scurte.

Pentru MAX176xx:

• Păstrați toate traseele cât mai scurte posibil; acest lucru minimizează orice inductanțe parazite și optimizează timpul de răspuns al comutatorului la scurtcircuitele de ieșire.
• Condensatoarele de intrare și de ieșire nu trebuie să fie la mai mult de 5 mm de dispozitiv; mai aproape este mai bine.
• Pinii IN și OUT trebuie să fie conectați la magistrala de alimentare cu trasee scurte și late.
• Se recomandă utilizarea de magistrale termice de la plăcuța expusă la planul de masă pentru a îmbunătăți performanța termică, în special pentru modul de limitare continuă a curentului.

Pentru referință, Figura 8 prezintă atât MAXM17608, cât și MAXM15062 și pozițiile lor respective în lanțul de alimentare.

Figura 8: o schemă bloc tipică a unui dispozitiv de urmărire a activelor care arată unde se potrivesc convertoarele sincrone de coborâre și circuitele integrate de protecție de la Maxim Integrated. (Sursă imagine: Maxim Integrated)

Concluzie

După cum s-a arătat, proiectanții pot utiliza modulele MAX1506x de înaltă eficiență, modulele sincrone de coborâre și circuitele integrate de protecție MAX176xx pentru a implementa o soluție completă de alimentare și protecție pentru dispozitivele de urmărire a vehiculelor. Urmând cele mai bune practici de bază în timpul implementării, soluția rezultată poate fi eficientă, compactă și robustă, minimizând în același timp riscurile de fabricație și problemele de conformitate.

Lectură recomandată

1. Utilizați o soluție SiP cu conectivitate celulară și GPS pentru a implementa rapid evaluarea resurselor pentru agricultură și orașe inteligente
2. Proiectați rapid sisteme de urmărire a locației utilizând module GNSS
3. Cum se implementează rapid modulele GNSS de poziționare cu constelații multiple