Hur man strömförsörjer och skyddar spårningsutrustning för fordonstillgångar för att säkerställa tillförlitlig drift

Moderna utmaningar inom logistik och försörjningskedjor kan underlättas genom att implementera spårning av fordonstillgångar i kommersiella fordonsparker för att säkerställa effektivitet och ändamålsenlighet. Konstruktörer av spårningsutrustning för fordonstillgångar måste dock konstruera för robusthet, tuffa elektriska miljöer, höga nivåer av stötar och vibrationer och ett stort driftstemperaturområde. Samtidigt måste de fortfarande uppfylla allt högre krav på prestanda, effektivitet och skydd i mindre format med större inspänningsområde - vanligtvis 4,5 till 60 V DC.

Betydelsen av skydd kan inte överdrivas med tanke på driftsförhållandena och tillgångarnas värde. Det måste vanligtvis innehålla skydd mot överström, överspänning, underspänning och backspänning för att säkerställa tillförlitlig drift och stödja höga tillgänglighetsnivåer.

Att konstruera de kraftomvandlings- och skyddskretsar från grunden som krävs för dessa driftkrav kan vara en utmaning. Även om detta kan leda till en helt optimerad konstruktion, kan det även leda till försenade marknadsintroduktioner, kostnadsöverskridanden och problem med efterlevnad. Istället kan konstruktörer använda sig av standardmoduler för DC/DC-omvandling och skyddskretsar.

Artikeln granskar kraftbehovet för spårningsutrustning i fordonstillgångar och beskriver hur en typisk arkitektur för krafthantering och skydd för denna utrustning ser ut. Därefter presenteras verkliga DC/DC-omvandlarmoduler och skyddskretsar från Maxim Integrated Products som konstruktörer kan använda i dessa tillämpningar. Det finns även relaterade utvärderingskort och riktlinjer för kretskretskortslayout.

Kraftbehov vid spårning av fordonstillgångar

Fordonsbatteriet är den primära kraftkällan för spårningsutrustning och består vanligtvis av 12 VDC i konsumentfordon och 24 VDC i kommersiella lastbilar. Spårningsutrustningen säljs som ett eftermonterat tillbehör och förväntas innehålla ett uppladdningsbart reservbatteri som är tillräckligt stort för att räcka i några dagar. Enheterna kräver dessutom skydd mot transienter och fel på fordonets strömförsörjningsbuss, och de innehåller vanligtvis en kombination av step-down DC/DC-omvandlare och regulatorer med lågt spänningsfall för att försörja systemets delar (figur 1).

Figur 1: Kraftsystemet i en typisk enhet för spårning av tillgångar/hantering av fordonspark omfattar två eller flera step-down DC/DC-omvandlare, en LDO och en skyddskrets. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Eftersom de eftermonteras måste spårningsutrustningen vara så liten som möjligt för att passa in i tillgängliga utrymmen. Komponenterna för kraftomvandling måste vara mycket effektiva för att möjliggöra längre livslängd för enheten och längre reservkraft från ett relativt litet batteri. Eftersom spårningsutrustning för tillgångar vanligtvis sitter i förseglade kapslingar är det viktigt att minimera den interna värmeutveckling som kan påverka livslängden och tillförlitligheten negativt. Därför behöver kraftsystemet ha en optimal kombination av miniatyrisering och hög effektivitet. LDO:er är kompakta, men är inte det effektivaste alternativet.

Konstruktörer kan istället använda sig av synkrona buck DC/DC-omvandlare som ger hög verkningsgrad. En verkningsgrad på exempelvis 72 % är ett typiskt värde för en synkron buck-omvandling från 24 till 3,3 V och en verkningsgrad på 84 % för en omvandling från 24 till 5 V. Användningen av synkrona DC/DC-omvandlare medför lägre värmeförluster, som bidrar till högre tillförlitlighet och möjligheten att använda ett mindre reservbatteri. Utmaningen är att utforma en kompakt lösning med den maximala ingångsnivå på 60 VDC som krävs i dessa tillämpningar.

Synkrona buck-kretsar i jämförelse med integrerade moduler

För att uppnå konstruktionens mål om liten storlek och effektivitet, kan konstruktörer välja mellan lösningar baserade på synkrona DC/DC-omvandlarkretsar eller integrerade DC/DC-omvandlarmoduler. En typisk lösning med en synkron buck-krets på 300 mA kräver en fyrkant på 2 ², en induktor som är cirka 4 mm² och flera andra passiva komponenter, vilket upptar totalt 29,3 mm² av kretskortets yta. Eller så kan den integrerade synkrona buck-modulen Himalaya μSLIC från Maxim Integrated tillhandahålla en lösning som är 28 % mindre, och endast tar upp 21 mm² av kretskortets yta (figur 2).

Figur 2: Jämfört med en konventionell buck-omvandlare (till vänster) tar kraftmodulslösningen Himalaya μSLIC (till höger) upp 28 % mindre yta på kretskortet. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Bygg på höjden

Strömmodulerna Himalaya μSLIC integrerar induktorn och buck-omvandlingskretsen vertikalt, vilket leder till en betydande minskning av kretskortsytan jämfört med typiska plana lösningar. Modulerna μSLIC är avsedda för drift med en inspänning på upp till 60 VDC, och från -40 till +125 °C. Även med vertikal integration, är de fortfarande låga och kompakta i en kapsling på 2,6 x 3 x 1,5 mm (figur 3).

Figur 3: I kraftmodulen Himalaya μSLIC är induktorn vertikalt integrerad i kretsen för att minimera utrymmet på kretskortet. (Bildkälla: Maxim Integrated)

De högeffektiva synkrona buck-omvandlarna MAXM15062/MAXM15063/MAXM15064 innehåller en integrerad styrenhet, MOSFET:ar, kompensationskomponenter och en induktor. De kräver endast ett fåtal yttre komponenter för att implementera en komplett högeffektiv DC/DC-lösning (figur 4). Modulerna kan ge upp till 300 mA och fungerar i ett inspänningsområde på 4,5 till 60 VDC. MAXM15064 har en utgång som kan justeras från 0,9 till 5 VDC, medan MAXM15062 och MAXM15063 har fasta utgångar på 3,3 respektive 5 VDC.

Figur 4: MAXM15064 kräver endast tre kondensatorer och två resistorer för att skapa en komplett buck-omvandlarlösning. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Modulerna har en styrarkitektur med ett läge för toppström som ger fördelarna med strömbegränsning cykel för cykel, inneboende kortslutningsskydd och bra transientsvar. De har en fast tid för mjukstart på 4,1 ms för att minska strömrusningarna. Konstruktörer kan använda sig av dessa effektiva buck-omvandlingsmoduler för att effektivisera konstruktionsprocessen, minska tillverkningsriskerna och påskynda marknadsintroduktionen.

Utvärderingssatser visar beprövade konstruktioner

Utvärderingssatsen MAXM15064EVKIT# innehåller en beprövad konstruktion för att utvärdera den synkrona buck-modulen MAXM15064 (figur 5). Den är programmerad för att ge 5 VDC vid belastningar upp till 300 mA. Den har justerbar låsning av underspänningar på inspänningen, en open-drain RESET-signal och ett valbart läge för pulsbreddsmodulering (PWM) eller pulsfrekvensmodulering (PFM). PFM-läget kan användas för att ge högre effektivitet vid låg belastning. Det uppfyller kraven för lednings- och strålningsutsläpp i CISPR22 (EN55022) Klass B och har en verkningsgrad på 78,68 % med en inspänning på 48 VDC och en utström på på 200 mA.

Figur 5: MAXM15064EVKIT# är en utvärderingssats för 5 VDC utspänning för MAXM15064 som kan ge upp till 300 mA. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Skyddskretsar

Konstruktörer kan använda de justerbara kretsarna MAX176xx- för överspännings- och överströmsskydd tillsammans med de synkrona buck-modulerna MAXM1506x för att skapa en komplett systemlösning. De integrerade kretsarna finns i en TDFN-EP-kapsling med 12 stift och är konstruerade för att skydda system från negativa och positiva inspänningsfel -65 till +60 V. De har en intern FET (fälteffekttransistor) med en typisk tillslagsresistans (R_ON) på endast 260 mΩ. Inspänningens överspänningsskydd är programmerbart från 5,5 till 60 V, medan inspänningens underspänningsskydd är justerbart från 4,5 till 59 V. Externa resistorer används för att ställa in gränsvärdena för överspänningsblockering (OVLO) och underspänningsblockering (UVLO) för inspänningen.

Strömbegränsningsskyddet är programmerbart med en resistor upp till 1 A för att göra det lättare att kontrollera strömrusningar vid laddning av stora filterkondensatorer på utspänningen. Strömbegränsningen kan implementeras i tre lägen; automatiskt återförsök, latch-off eller kontinuerlig. Spänningen på SETI-stiftet är proportionell mot den momentana strömmen och kan läsas av en analog-till-digitalomvandlare (ADC). Dessa integrerade kretsar har ett driftstemperaturområde på -40 till +125 °C och har en termisk avstängning för att skydda mot för höga temperaturer. En valfri överspänningsdämpare kan användas i tillämpningar där man räknar med höga överspänningsströmmar på inspänningen (figur 6). Det finns tre integrerade kretsar i familjen:

• MAX17608 skyddar mot överspänning, underspänning och backspänning.
• MAX17609 skyddar mot överspänning och underspänning.
• MAX17610 skyddar mot backspänning.

Figur 6: Typisk integration av skyddskretsarna MAX17608 och MAX17609 med den valfria överspänningsdämparen (till vänster) för tillämpningar med höga överspänningar på inspänningen. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Utvärderingssatser för skyddskretsar

MAX17608EVKIT, MAX17609EVKIT och MAX17610EVKIT gör det möjligt för konstruktörer att utvärdera prestandan hos MAX17608, MAX17609 respektive MAX17910 (figur 7). MAX17608EVKIT är exempelvis ett helt monterat och testat kretskort för att utvärdera MAX17608. Det är dimensionerat för 4,5 till 60 V och 1 A, med skydd mot underspänning, överspänning, backspänning och strömbegränsning framåt/bakåt. MAX17608EVKIT kan konfigureras för att demonstrera justerbara skydd mot underspänning och överspänning, tre strömbegränsningslägen och olika tröskelvärden för strömbegränsning.

Figur 7: Utvärderingskort som MAX17608EVKIT# för MAX17608 finns även för skyddskretsarna MAX17609 och MAX17610. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Riktlinjer för kretskortslayout

När du gör layouten för MAX1506x och MAX176xx bör du följa några grundläggande riktlinjer för att skapa en lyckad konstruktion. Som exempelvis för MAX1506x:

• Kondensatorerna för inspänningen bör vara placerade så nära IN- och GND-stiften som möjligt.
• Kondensatorn för utspänningen bör vara placerad så nära OUT- och GND-stiften som möjligt.
• Återkopplingsresistorn (FB) bör vara placerad så nära FB-stiftet som möjligt.
• Använd korta banor för anslutning av ström och belastning.

För MAX176xx:

• Håll alla banor så korta som möjligt. Det minimerar eventuella parasitära induktanser och optimerar switchningens svarstid vid kortslutningar på utspänningen.
• Kondensatorerna på in- och utspänning bör inte vara placerade längre än 5 mm från enheten, ju närmare desto bättre.
• Stiften för IN och OUT måste anslutas till strömbussen med korta, breda banor.
• Användning av termiska genomgående hål från den exponerade plattan till jordplanet rekommenderas för att förbättra den termiska prestandan, särskilt i läget för kontinuerlig strömbegränsning.

Som referens visar figur 8 både MAXM17608 och MAXM15062 och deras respektive placering i strömförsörjningskedjan.

Figur 8: Ett typiskt blockdiagram för spårningsutrustning som visar var synkrona buck-omvandlare och skyddskretsar från Maxim Integrated passar in. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Sammanfattning

Konstruktörer kan som visat använda sig av de högeffektiva synkrona buck-omvandlarna MAX1506x och skyddskretsarna MAX176xx för att implementera en komplett kraft- och skyddslösning i spårningsutrustning för fordonstillgångar. Genom att följa bästa praxis vid implementeringen kan lösningen bli effektiv, kompakt och robust, samtidigt som risker i tillverkningen och efterlevnadsproblem minimeras.

Rekommenderad läsning

1. Använd en SiP med mobil och GPS för att snabbt implementera tillgångsspårning för jordbruk och smarta städer
2. Utforma system för lokaliseringsspårning snabbt med hjälp av GNSS-moduler
3. Hur man snabbt implementerar GNSS-moduler för positionering med flera konstellationer