Slik kan enheter for sporing av kjøretøyressurser strømsettes og beskyttes for å sikre pålitelig drift

For å sikre god effektivitet kan moderne logistikk og utfordringer i forsyningskjeden løses ved å implementere sporing av kjøretøyressurser på tvers av flåter av nyttekjøretøyer. Konstruktører av enheter for sporing av kjøretøyressurser må imidlertid utvikle med fokus på robusthet, tøffe elektriske miljøer, høye nivåer av slag og vibrasjoner og brede driftstemperaturområder. De må samtidig fortsette å oppfylle de økende kravene til ytelse, effektivitet og beskyttelse i mindre formater og med bredere inngangsspenningsområder – typisk 4,5 til 60 volt likestrøm (DC).

Viktigheten av beskyttelse kan ikke overdrives, gitt driftsforholdene og ressursverdiene. Den må vanligvis omfatte beskyttelse mot overstrøms-, overspennings-, underspennings- og reversspenningsforhold for å sikre pålitelig drift og støtte høye tilgjengelighetsnivåer.

Det kan være utfordrende å utvikle kretsene for strømomforming og beskyttelse som trengs for å oppnå disse driftskravene fra bunnen av. Selv om dette kan føre til en svært optimalisert konstruksjon, kan det også føre til økt tid før produktet kommer ut på markedet, kostnadsoverskridelser og samsvarsproblemer. I stedet kan konstruktører velge å bruke standard strømmoduler for DC-DC-omforming og beskyttelses-IC-er.

Denne artikkelen tar for seg strømkravene til enheter som sporer kjøretøyressurser, og den skisserer hvordan en typisk strømstyrings- og beskyttelsesarkitektur for disse enhetene ser ut. Deretter presenteres faktiske eksempler på DC-DC-omformermoduler og beskyttelses-IC-er fra Maxim Integrated Products som utviklere kan bruke i disse konstruksjonene. Relaterte layout-retningslinjer for evalueringskort og kretskort er også gitt.

Strømkrav for sporing av kjøretøyressurser

Kjøretøyets batteri er hovedstrømkilden for sporingsenheter og er vanligvis 12 volt likestrøm i forbrukerkjøretøyer og 24 volt likestrøm i lastebiler. Enhetene for ressurssporing selges som tilbehør på ettermarkedet og forventes å inkludere et oppladbart reservebatteri som er stort nok til å vare noen dager. I tillegg krever disse enhetene beskyttelse mot forbigående tilstander (transienter) og feiltilstander på kjøretøyets strømbuss, og de omfatter vanligvis en kombinasjon av trinnvise DC-DC-omformere og regulatorer med lavt signalbortfall (LDO –low drop-out) for å drive systemelementene (figur 1).

Figur 1: Strømsystemet i en typisk enhet for resurssporing og flåtestyring omfatter to eller flere DC-DC-omformere for spenningsreduksjon, en LDO og en beskyttelses-IC. (Bildekilde: Maxim Integrated)

Siden de er installert som en ettermarkedsvare, må enheter for ressurssporing være så små som mulig for å passe inn i tilgjengelige områder. Strømomformingskomponentene må være svært effektive for å gi enheten lengre levetid og lengre reservestrøm fra et relativt lite batteri. Siden enheter for ressurssporing vanligvis kommer i forseglede kapslinger, er det viktig å minimere intern varmeutvikling som kan påvirke levetiden og påliteligheten negativt. Som et resultat må strømsystemet gi en optimal kombinasjon av miniatyrisering og høy effektivitet. Selv om LDO-er er kompakte, er de ikke det mest effektive alternativet.

I stedet kan konstruktører bruke synkrone DC-DC-omformere for spenningsreduksjon som gir høy omformingsvirkningsgrad. For eksempel er en virkningsgrad på 72 % en typisk verdi for en 24 volt til 3,3 volt synkron spenningsreduksjon og en virkningsgrad på 84 % for en 24-volt til 5-volt omforming. Bruk av synkrone DC-DC-omformere resulterer i lavere varmespredning, noe som bidrar til høyere pålitelighet og mulighet til å bruke et mindre reservebatteri. Utfordringen er å konstruere en kompakt løsning med den maksimale nominelle inngangen på 60-volt likestrøm som kreves for disse konstruksjonene.

Synkrone IC-er for spenningsreduksjon kontra integrerte moduler

For å oppnå den lille størrelsen og effektiviteten i konstruksjonsmålene, kan konstruktører velge mellom løsninger basert på synkrone DC-DC-omformer-IC-er eller integrerte DC-DC-omformermoduler. En typisk synkron IC-løsning for spenningsreduksjon på 300 mA krever en 2-millimeters kvadratisk (mm²) IC, en induktor som er ca. 4 mm², pluss flere andre passive komponenter, som opptar totalt 29,3 mm² av kretskortets areal. Alternativt kan Himalaya μSLIC integrerte synkrone spenningsreduksjonsmoduler fra Maxim Integrated gi en løsning som er 28 % mindre, og som kun opptar 21 mm² av kretskortets areal (figur 2).

Figur 2: Sammenlignet med en konvensjonell implementasjon av spenningsregulatoren (venstre), opptar en Himalaya μSLIC-strømmodulløsning (høyre) 28 % mindre kortplass. (Bildekilde: Maxim Integrated)

Vertikal implementering

Himalaya μSLIC-strømmoduler integrerer induktoren og spenningsregulator-IC-en vertikalt, noe som resulterer i en betydelig reduksjon i kretskortplassen sammenlignet med typiske løsninger som ligger flatt. μSLIC-modulene er klassifisert for drift med innganger på opptil 60 V likestrøm, og fra –40 til +125 °C. Selv med vertikal integrasjon, er de fortsatt kompakte og har lav profil, og de kommer i en 10-pinners kapsling på 2,6 x 3 x 1,5 mm (figur 3).

Figur 3: I en Himalaya μSLIC-strømmodul er induktoren vertikalt integrert på IC-en for å minimere kortplassen. (Bildekilde: Maxim Integrated)

MAXM15062/MAXM15063/MAXM15064 høyeffektive, synkrone spenningsreduksjonsmoduler omfatter en integrert styring, MOSFET-er, kompensasjonskomponenter og en induktor. De krever bare noen få eksterne komponenter for å implementere en fullstendig høyeffektiv DC-DC-løsning (figur 4). Disse modulene kan levere opptil 300 mA og fungere over et inngangsspenningsområde på 4,5 til 60 volt likestrøm. MAXM15064 har en utgang som kan justeres fra 0,9 til 5 volt likestrøm, mens MAXM15062 og MAXM15063 har faste utganger på henholdsvis 3,3 og 5 volt likestrøm.

Figur 4: MAXM15064 krever bare tre kondensatorer og to motstander for å lage en komplett spenningsregulatorløsning. (Bildekilde: Maxim Integrated)

Disse modulene har en arkitektur med modus for regulering av toppstrøm som tilbyr følgende fordeler: syklus-etter-syklus-strømbegrensning, iboende kortslutningsvern og god transient-respons. De har en fast mykstarttid på 4,1 millisekund (ms) for å redusere innkoblingsstrømstøt. Konstruktører kan velge å bruke disse effektive spenningsreguleringsmodulene til å strømlinjeforme konstruksjonsprosessen, redusere produksjonsrisikoer og fremskynde tiden det tar å få produktet ut på markedet.

Evalueringssett viser utprøvde konstruksjoner

MAXM15064EVKIT-evalueringssettet tilbyr en utprøvd konstruksjon for å evaluere den synkrone MAXM15064-spenningsregulatormodulen (figur 5). Den er programmert til å levere 5 volt likestrøm for last på opptil 300 mA. Den har en justerbar underspenningssperre på inngangen, RESET-signal (nullstillingssignal) for åpent utløp (open-drain) og en valgbar modus for pulsbreddemodulasjon (PWM) eller pulsfrekvensmodulasjon (PFM). PFM-modusen kan brukes til å levere høyere virkningsgrad ved lett last. Den er i samsvar med CISPR22 (EN55022) klasse B for ledende og utstrålte utslipp, og den leverer en virkningsgrad på 78,68 % med en 48-volts likestrømsinngang og en utgang på 200 mA.

Figur 5: MAXM15064EVKIT# er et evalueringssett med 5-volts likestrømsutgang for MAXM15064 som kan levere opptil 300 mA. (Bildekilde: Maxim Integrated)

Beskyttelses-IC-er

For å få en komplett systemløsning kan konstruktører bruke justerbare MAX176xx IC-er for overspennings- og overstrømsbeskyttelse, kombinert med MAXM1506x synkrone spenningsregulatormoduler. Disse IC-ene kommer i 12-pinners TDFN-EP-kapslinger og er konstruert for å beskytte systemer mot negative og positive inngangsspenningsfeil, som spenner fra –65 til +60 volt. De har en intern felteffekttransistor (FET) med en typisk på-motstand (R_ON) på bare 260 milliohm (mΩ). Området for overspenningsbeskyttelse på inngangen er programmerbart fra 5,5 til 60 volt, mens området for underspenningsbeskyttelse på inngangen er justerbart fra 4,5 til 59 volt. Eksterne motstander brukes til å konfigurere tersklene for overspenningssperring (OVLO – overvoltage-lockout) og underspenningssperring (UVLO – undervoltage-lockout) på inngangen.

Beskyttelsen for startstrømbegrensning er programmerbar med en motstand på opptil 1 ampere (A), og den bidrar til å styre innkoblingsstrømstøt under lading av store utgangsfilterkondensatorer. Startstrømbegrenseren kan implementeres i tre moduser; automatisk nytt forsøk, lås-av eller kontinuerlig. Spenningen på SETI-pinnen er proporsjonal med momentaneffekten og kan leses av en A-D-omformer (ADC). Disse IC-ene har et driftstemperaturområde på –40 til +125 °C og inkluderer termisk avstengning for å beskytte mot overdrevne temperaturer. En valgfri demperenhet for strømstøt kan brukes i konstruksjoner som forutsetter høye inngående støtstrømmer (figur 6). Det er tre IC-er i familien:

• MAX17608 beskytter mot overspenning, underspenning og reversspenning.
• MAX17609 beskytter mot overspenning og underspenning.
• MAX17610 beskytter mot reversspenning.

Figur 6: Typisk integrasjon av MAX17608- og MAX17609-beskyttelses-IC-ene som viser den valgfrie overspenningsdemperen (venstre) for konstruksjoner med høye inngående overspenninger. (Bildekilde: Maxim Integrated)

Evalueringssett for beskyttelses-IC-er

MAX17608EVKIT, MAX17609EVKIT og MAX17610EVKIT gjør det mulig for konstruktører å evaluere ytelsen til henholdsvis MAX17608, MAX17609 og MAX17910 (figur 7). For eksempel er MAX17608EVKIT et ferdiglaget og testet kretskort for evaluering av MAX17608. Den er klassifisert for 4,5 til 60 volt og 1 A, med beskyttelse mot underspenning, overspenning, reversspenning og startstrømbegrenser for forover-/reversstrøm. MAX17608EVKIT kan konfigureres til å demonstrere justerbar underspennings- og overspenningsbeskyttelse, tre moduser for startstrømbegrensning og diverse terskler for startstrømbegrensning.

Figur 7: Evalueringskort som MAX17608EVKIT# for MAX17608 er også tilgjengelige for beskyttelses-IC-ene MAX17609 og MAX17610. (Bildekilde: Maxim Integrated)

Layout-retningslinjer for kretskort

Når du planlegger layouten til MAX1506x og MAX176xx, er det lurt å følge noen grunnleggende retningslinjer for å oppnå en vellykket konstruksjon. For eksempel, for MAX1506x:

• Inngangskondensatorer bør være så nærme IN- og GND-pinnene som mulig.
• Utgangskondensatorer bør være så nærme OUT- og GND-pinnene som mulig.
• Motstandsdelerne for tilbakekobling (FB – feedback) bør være så nærme FB-pinnen som mulig.
• Bruk korte strømspor og lasttilkoblinger.

For MAX176xx:

• Hold alle spor så korte som mulig. Dette minimerer eventuelle parasittinduktanser og optimaliserer bryterens responstid når det gjelder å sende ut kortslutninger.
• Inngangs- og utgangskondensatorer bør ikke være mer enn 5 mm unna enheten. Nærmere er bedre.
• IN- OG OUT-pinnene må kobles til strømbussen med korte, brede spor.
• Bruken av termiske baner fra den eksponerte kontaktflaten til det horisontale projeksjonsplanet, anbefales for å forbedre termisk ytelse, spesielt for modus med kontinuerlig startstrømbegrensning.

Som referanse viser figur 8 både MAXM17608 og MAXM15062 og deres respektive posisjoner i strømkjeden.

Figur 8: Et typisk blokkskjema for ressurssporingsenheter som viser hvor synkroniserte spenningsreduksjonsomformere og beskyttelses-IC-er fra Maxim Integrated passer sammen. (Bildekilde: Maxim Integrated)

Konklusjon

Som vist, kan konstruktører bruke høyeffektive MAX1506x synkrone spenningsreduksjonsmoduler og MAX176xx beskyttelses-IC-er til å implementere en komplett strøm- og beskyttelsesløsning for enheter som sporer kjøretøyressurser. Ved å følge anbefalt fremgangsmåte under implementering, kan den resulterende løsningen være effektiv, kompakt og robust, samtidig som produksjonsrisiko og samsvarsproblemer minimeres.

Anbefalt lesing

1. Bruk en SiP for mobiltelefoni og GPS til å raskt implementere ressurssporing for landbruk og smarte byer
2. Utvikle lokasjonssporingssystemer raskt ved å bruke GNSS-moduler
3. Slik implementerer du raskt posisjonering av GNSS-moduler med flere konstellasjoner