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作者：Anil Telikepalli，管理總監 Nazzareno Rossetti，模擬和電源管理專(zhuān)家 Simo Radovic，應用總監 ADI公司 摘要 本文介紹一種典型的資產(chǎn)跟蹤解決方案，展示MAX3864x nanopower降壓轉換器系列如何憑借其小尺寸、高效率優(yōu)勢，在小型便攜式設備中實(shí)現更長(cháng)的電池壽命。新興的低功耗數據連接技術(shù)部署成本低，由此涌現了多種資產(chǎn)跟蹤解決方案。多個(gè)應用領(lǐng)域都見(jiàn)證了這一點(diǎn)，運輸和供應鏈管理行業(yè)尤其明顯。 在典型應用中，傳感器從給定位置提供更新信息，傳輸有關(guān)溫度、濕度、壓力和運動(dòng)的數據。傳感器只需傳輸少量數據，所以其覆蓋密度更高，功耗超低，使設備實(shí)現更長(cháng)久續航。傳感器的電池續航時(shí)間從幾周到長(cháng)達數年。根據具體的應用，資產(chǎn)跟蹤應用可能需要部署多個(gè)跟蹤器設備。相應的，這些資產(chǎn)跟蹤器設備必須小巧、便攜，且經(jīng)濟高效。 在本設計解決方案中，我們將探討典型的電池供電資產(chǎn)跟蹤器設備遇到的電源管理問(wèn)題，并展示使用小巧但高效的降壓轉換器的示例。 邊緣到企業(yè)的通信 圖1展示了一個(gè)典型的跟蹤通信鏈。被跟蹤資產(chǎn)通過(guò)信標傳輸數據，數據通過(guò)專(zhuān)用蜂窩網(wǎng)絡(luò )傳輸到服務(wù)器。然后數據傳輸到企業(yè)門(mén)戶(hù)，用于資產(chǎn)管理和分析。 
圖1.實(shí)時(shí)GPS跟蹤 資產(chǎn)跟蹤網(wǎng)絡(luò ) 新一代信標直接連接至專(zhuān)用蜂窩網(wǎng)絡(luò )（LTE-M、NB-IoT），無(wú)需通過(guò)Bluetooth®也能與網(wǎng)關(guān)通信。雖然這些技術(shù)各不相同，但都具有低功耗特點(diǎn)，能夠實(shí)現長(cháng)達幾年的電池續航時(shí)間（表1）。 表1.網(wǎng)絡(luò )特點(diǎn)
典型的資產(chǎn)跟蹤器系統 圖2所示為典型的資產(chǎn)跟蹤器框圖。三個(gè)串聯(lián)的堿性電池提供2000 mAh電量。降壓穩壓器為板載控制器、傳感器和無(wú)線(xiàn)電供電。
圖2.資產(chǎn)跟蹤器框圖 對于要求較高的資產(chǎn)跟蹤應用，該系統必須使用三節堿性電池持續運行一年，如圖3所示，資產(chǎn)跟蹤器每天會(huì )有一次持續約2分鐘的數據傳輸模式，工作電流為100mA，剩余時(shí)間處于深度睡眠模式，工作電流僅100µA。但是實(shí)際上，根據LTE-M或NB-IoT資產(chǎn)跟蹤器支持的功率電平和其他選項，電流可能會(huì )高一些，但在本文討論的示例中，我們使用100 µA至100 mA范圍。
圖3.資產(chǎn)跟蹤器的電流曲線(xiàn) 為實(shí)現高性能，需要小心謹慎地選擇每個(gè)模塊，以確保功耗盡可能低。降壓穩壓器必須在100 µA至100 mA范圍內保持高效率。例如，降壓轉換器平均損耗4%的效率，相當于現場(chǎng)部署的續航時(shí)間縮短約兩周。 超低靜態(tài)電流 降壓轉換器的靜態(tài)電流尤其重要，因為設備大部分時(shí)間處于深度睡眠或靜默狀態(tài)，僅消耗100 µA或更少的電流。如果VOUT = 1.8 V，在深度睡眠狀態(tài)下，輸出功率POUT = 1.8 V × 100 µA = 180 µW。η = 90%時(shí)，輸入功率為：
如果未恰當選擇降壓轉換器，該轉換器消耗3 µA靜態(tài)電流（典型值），采用3.6 V輸入電壓，就會(huì )額外產(chǎn)生以下功耗：
降壓轉換器最終效率：
3 µA靜態(tài)電流會(huì )導致降壓轉換器效率降低4%，大大加快電池耗電速度！ 另一方面，靜態(tài)電流為300 nA的降壓轉換器幾乎不會(huì )降低其效率，其效率僅降低0.5%。對于資產(chǎn)跟蹤應用，選擇具有超低靜態(tài)電流的降壓轉換器至關(guān)重要，因為系統大部分時(shí)間都處于靜默狀態(tài)，且僅依賴(lài)電池供電。 Nanopower降壓轉換器 圖4所示的nanopower 330 nA超低靜態(tài)電流降壓型DC-DC轉換器是一個(gè)典型的高能效示例，該器件采用1.8 V至5.5 V輸入電壓，支持高達175 mA負載電流，峰值效率高達96%。在休眠模式下，它僅消耗5 nA關(guān)斷電流。該器件采用節省空間的1.42 mm × 0.89 mm、6引腳晶圓級封裝（2個(gè)3引腳WLP，0.4 mm間距）。如果基于NB-IoT或LTE-M網(wǎng)絡(luò )的功率水平需要更高電流，可選擇同類(lèi)器件來(lái)提供更高電流。
圖4.集成式降壓轉換器 小尺寸 Nanopower降壓轉換器應用的占地面積如圖5所示。由于采用WLP封裝、高開(kāi)關(guān)頻率操作和小型外部無(wú)源器件，該降壓轉換器的凈PCB面積僅為7.1 mm2。
圖5.資產(chǎn)跟蹤器降壓轉換器應用（7.1 mm2凈占地面積） 效率優(yōu)勢 圖6顯示了具有3.6 V輸入電壓、1.8 V輸出電壓的降壓轉換器的效率曲線(xiàn)。在高負載下同步整流，在輕負載下進(jìn)行脈沖操作，超輕負載確保在寬工作范圍內保持高效率。 該IC在100 µA下的工作效率達87.5%，在100 mA下的工作效率高達92%，因此非常適合資產(chǎn)跟蹤應用。與其他替代解決方案相比，這款降壓轉換器具有明顯的效率優(yōu)勢。
圖6.MAX38640 效率曲線(xiàn) 高效率和小尺寸優(yōu)勢相輔相成，有助于減少發(fā)熱。在設計更小巧、散熱性能更佳的資產(chǎn)跟蹤器時(shí)，能夠幫助緩解設備過(guò)熱的問(wèn)題。 結論 根據具體的應用，資產(chǎn)跟蹤器在僅使用小型電池供電的情況下，必須能夠在現場(chǎng)持續運行幾周到幾年。針對此類(lèi)應用，需要謹慎選擇每個(gè)模塊，以確保功耗盡可能低。降壓穩壓器必須在幾十微安到幾百毫安的輸入電流范圍內保持高效運行。MAX3864x nanopower降壓轉換器系列具有高效率和小尺寸特性，是非常適合資產(chǎn)跟蹤應用的電源解決方案。 參考資料 MAX38640 ADI公司 MAX38641 ADI公司 MAX38642 ADI公司 MAX38643 ADI公司 關(guān)于作者 Anil Telikepalli是ADI公司核心產(chǎn)品事業(yè)部的管理總監，負責電源和數據轉換器產(chǎn)品。Anil于2010年加入ADI公司，并與北美、歐洲和亞洲的全球團隊共同管理定義、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、營(yíng)銷(xiāo)和業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)。在加入ADI之前，Anil先后在Xilinx和MIPS Technologies擔任工程應用、營(yíng)銷(xiāo)、業(yè)務(wù)運營(yíng)等多個(gè)職位，推動(dòng)通信、計算、消費電子、汽車(chē)和工業(yè)市場(chǎng)發(fā)展。他擁有肯塔基大學(xué)和奧斯馬尼亞大學(xué)的電氣工程碩士和學(xué)士學(xué)位，且在該領(lǐng)域擁有多項專(zhuān)利，為多家硬件和互聯(lián)網(wǎng)軟件初創(chuàng )公司提供建議。 Nazzareno (Reno) Rossetti是ADI公司的模擬和電源管理專(zhuān)家。他是一名出版作家，在該領(lǐng)域擁有多項專(zhuān)利。Reno擁有意大利都靈理工大學(xué)電氣工程博士學(xué)位。 Simo Radovic是ADI公司先進(jìn)消費電子電源團隊的電源產(chǎn)品應用總監。他擁有超過(guò)16年的DC/DC開(kāi)關(guān)轉換器工作經(jīng)驗。Simo擁有圣何塞州立大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位。 |
