合適的降壓轉(zhuǎn)換器可以讓您的小型資產(chǎn)跟蹤器持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間

作者：核心產(chǎn)品業(yè)務(wù)部董事總經(jīng)理 Anil Telikepalli；Nazzareno (Reno) Rossetti，模擬和電源管理專家；和 Simo Radovic， Maxim Integrated的電源核心產(chǎn)品首席應(yīng)用工程師

由于部署成本低，新的低功耗數(shù)據(jù)連接正在引發(fā)資產(chǎn)跟蹤解決方案的激增。這種影響可以在多種應(yīng)用中看到，特別是運(yùn)輸和供應(yīng)鏈管理。

在典型應(yīng)用中，傳感器從給定位置提供更新，傳輸有關(guān)溫度、濕度、壓力和運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)。傳感器只需傳輸少量數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)更高的覆蓋范圍和超低功耗，從而實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的設(shè)備壽命。傳感器的電池必須持續(xù)數(shù)周至數(shù)年。根據(jù)應(yīng)用程序的不同，資產(chǎn)跟蹤可能需要部署多個(gè)跟蹤器設(shè)備。因此，這些資產(chǎn)跟蹤設(shè)備還必須小巧、便攜且具有成本效益。

在此設(shè)計(jì)解決方案中，我們討論了典型電池供電資產(chǎn)跟蹤器設(shè)備遇到的電源管理挑戰(zhàn)，并展示了使用小型高效降壓轉(zhuǎn)換器的示例。

邊緣到企業(yè)的通信圖 1 說(shuō)明了一個(gè)典型的跟蹤通信鏈。被跟蹤的資產(chǎn)通過(guò)信標(biāo)傳輸數(shù)據(jù)，信標(biāo)通過(guò)專用蜂窩網(wǎng)絡(luò)到達(dá)服務(wù)器。從這里，數(shù)據(jù)到達(dá)用于資產(chǎn)管理和分析的企業(yè)門(mén)戶。

圖 1：實(shí)時(shí) GPS 跟蹤。

在工廠環(huán)境中，資產(chǎn)跟蹤將設(shè)施、車(chē)隊(duì)設(shè)備和維護(hù)的管理整合到一個(gè)平臺(tái)中，從而提高了安全性、生產(chǎn)力并延長(zhǎng)了資產(chǎn)壽命。

資產(chǎn)跟蹤網(wǎng)絡(luò)新一代信標(biāo)直接連接到專用蜂窩網(wǎng)絡(luò)（LTE-M、NB-IoT），無(wú)需使用藍(lán)牙與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信。這些技術(shù)可能非常不同，但都具有低功耗的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)年的電池壽命（表 1）。

表 1：網(wǎng)絡(luò)特征。

典型的資產(chǎn)跟蹤器系統(tǒng)圖 2 顯示了一個(gè)典型的資產(chǎn)跟蹤器框圖。三串堿性電池可提供 2,000 mAh 的電量。一個(gè)降壓穩(wěn)壓器為車(chē)載控制器、傳感器和無(wú)線電供電。

圖 2：資產(chǎn)跟蹤器框圖。

對(duì)于要求苛刻的資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用，系統(tǒng)必須使用三節(jié)堿性電池持續(xù)一年，在深度睡眠中僅消耗 100 μA 電流，每天傳輸 100 mA 電流約兩分鐘（圖 3）。雖然根據(jù) LTE-M 或 NB-IoT 資產(chǎn)跟蹤器支持的功率水平和其他選項(xiàng)，電流確實(shí)可能更高，但在我們的討論中，我們將堅(jiān)持 100-μA 至 100-mA 的范圍。

圖 3：資產(chǎn)跟蹤器當(dāng)前配置文件。

高使用性能需要仔細(xì)選擇每個(gè)塊以實(shí)現(xiàn)最低功耗。降壓穩(wěn)壓器必須在 100 μA 至 100 mA 的寬范圍內(nèi)保持高效。例如，降壓轉(zhuǎn)換器平均降低 4% 的效率意味著減少大約兩周的現(xiàn)場(chǎng)部署。

超低靜態(tài)電流降壓轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)電流尤為重要，因?yàn)樵撈骷蟛糠謺r(shí)間處于深度睡眠或安靜模式，僅消耗 100 μA 或更少。V OUT = 1.8 V 時(shí)，深度睡眠期間的輸出功率為 P OUT = 1.8 V × 100 μA = 180 μW。η = 90% 時(shí)，輸入功率為： P IN = 180 μW/0.9 = 200 μW

如果降壓轉(zhuǎn)換器沒(méi)有經(jīng)過(guò)仔細(xì)選擇并且具有 3 μA 的典型靜態(tài)電流和 3.6 V 的輸入電壓，則會(huì)產(chǎn)生額外的功耗：P' IN = 3 μA × 3.6 V = 10.8 μW

最終降壓轉(zhuǎn)換器效率為： η = P OUT /(P IN + P' IN ) = 180/(200 + 10.8) = 86%

3 μA 的靜態(tài)電流使降壓轉(zhuǎn)換器失去四個(gè)效率點(diǎn)，從而顯著更快地耗盡電池！

另一方面，具有 300nA 靜態(tài)電流的降壓轉(zhuǎn)換器幾乎不會(huì)降低效率，僅降低半個(gè)百分點(diǎn)。對(duì)于資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用，選擇具有超低靜態(tài)電流的降壓轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要，因?yàn)橄到y(tǒng)大部分時(shí)間都處于“安靜”模式并依賴電池。

nanoPower 降壓轉(zhuǎn)換器作為高效率示例，圖 4所示的nanoPower超低 330nA 靜態(tài)電流降壓（降壓）DC/DC 轉(zhuǎn)換器在 1.8V 至 5.5V 輸入電壓范圍內(nèi)工作并支持負(fù)載電流高達(dá) 175 mA，峰值效率為 96%。在睡眠模式下，它僅消耗 5 nA 的關(guān)斷電流。該器件采用節(jié)省空間的 1.42 × 0.89-mm 六引腳晶圓級(jí)封裝（WLP 2 × 3 凸塊，0.4-mm 間距）。如果基于 NB-IoT 或 LTE-M 網(wǎng)絡(luò)中的功率水平需要更高的電流，則姐妹部件可以提供更高的電流。

圖 4：集成降壓轉(zhuǎn)換器。

小尺寸nanoPower 降壓轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用封裝如圖5 所示。由于其 WLP 封裝、高開(kāi)關(guān)頻率操作和小型外部無(wú)源器件，降壓轉(zhuǎn)換器的 PCB 凈面積僅為7.1 mm 2。還提供 2 × 2-mm DFN 封裝。

圖 5：資產(chǎn)跟蹤降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用（7.1 mm 2 凈面積）。

效率優(yōu)勢(shì)圖 6 顯示了具有 3.6V 輸入和 1.8V 輸出的降壓轉(zhuǎn)換器的效率曲線。高負(fù)載下的同步整流和輕載和超輕負(fù)載下的脈沖操作確保了在寬工作范圍內(nèi)的高效率。100 μA 時(shí) 87.5% 的高效運(yùn)行和 100 mA 時(shí) 92% 的效率使該 IC 成為資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用的理想選擇。與替代解決方案相比，該降壓轉(zhuǎn)換器具有多個(gè)效率點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)。

圖 6：MAX38640A 效率曲線。

高效率和更小的占地面積的好處齊頭并進(jìn)，從而減少了熱量的產(chǎn)生。這有助于設(shè)計(jì)更小、更酷的資產(chǎn)跟蹤器，緩解設(shè)備過(guò)熱的擔(dān)憂。

結(jié)論資產(chǎn)跟蹤器，根據(jù)其具體應(yīng)用，必須在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)周至數(shù)年，僅由小型電池供電。這種類(lèi)型的操作需要仔細(xì)選擇每個(gè)塊以最小化功耗。降壓穩(wěn)壓器必須在幾十 μA 到幾百 mA 的寬輸入電流范圍內(nèi)高效運(yùn)行。nanoPower 降壓轉(zhuǎn)換器系列具有高效率和小尺寸，為資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用提供了理想的電源解決方案。

審核編輯 黃昊宇