Hoe apparaten voor het volgen van voertuigactiva van stroom voorzien en beschermen om een betrouwbare werking te garanderen

Moderne logistieke en supply chain-uitdagingen kunnen worden opgelost door het traceren van voertuigactiva in bedrijfswagenparken om efficiëntie en effectiviteit te garanderen. Ontwerpers van apparatuur voor het volgen van voertuigactiva moeten echter ontwerpen voor robuustheid, zware elektrische omgevingen, hoge schok- en trillingsniveaus en grote bedrijfstemperaturen. Tegelijkertijd moeten zij nog steeds voldoen aan toenemende eisen op het gebied van prestaties, efficiëntie en bescherming in kleinere vormfactoren met een breder ingangsspanningsbereik - meestal 4,5 tot 60 volt gelijkstroom.

Gezien de bedrijfsomstandigheden en de waarde van de activa kan het belang van bescherming niet genoeg worden benadrukt. Om een betrouwbare werking en een hoge mate van beschikbaarheid te waarborgen, moet de beveiliging in de regel ook bescherming bieden tegen overstroom, overspanning, onderspanning en sperspanning.

Het kan een uitdaging zijn om de stroomomzettings- en beveiligingsschakelingen die nodig zijn om aan deze operationele eisen te voldoen, vanaf nul te ontwerpen. Hoewel dit kan leiden tot een volledig geoptimaliseerd ontwerp, kan het ook leiden tot een vertraagde marktintroductie, kostenoverschrijdingen en nalevingsproblemen. In plaats daarvan kunnen ontwerpers zich wenden tot kant-en-klare DC/DC-converter vermogensmodules en beschermings IC's.

Dit artikel bespreekt de stroomvereisten voor apparatuur voor het volgen van voertuigactiva en schetst hoe een typische architectuur voor stroombeheer en -beveiliging voor die apparatuur eruitziet. Vervolgens worden praktijkgerichte DC/DC-convertormodules en beschermingsIC's van Maxim Integrated Products gepresenteerd die ontwerpers in deze toepassingen kunnen gebruiken. Ook worden verwante evaluatieborden en richtlijnen voor de lay-out van printplaten gegeven.

Stroomvereisten voor voertuigactivatrackers

De voertuigaccu is de primaire stroombron voor volgapparatuur en is gewoonlijk 12 volt gelijkstroom in consumentenvoertuigen en 24 volt gelijkstroom in commerciële vrachtwagens. De asset trackers worden verkocht als aftermarket accessoire en zullen naar verwachting een oplaadbare back-up batterij bevatten die groot genoeg is om een paar dagen mee te gaan. Bovendien moeten deze apparaten worden beschermd tegen transiënte en foutieve omstandigheden op de bus, en omvatten zij gewoonlijk een combinatie van step-down DC/DC-convertors en lage drop-out regelaars (LDO's) om de systeemelementen van stroom te voorzien (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Het voedingssysteem in een typisch asset-tracking/vlootbeheerapparaat omvat twee of meer step-down DC/DC converters, een LDO, en een beschermings IC. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

Aangezien zij als aftermarket-artikel worden geïnstalleerd, moeten de apparatuur voor het volgen van activa zo klein mogelijk zijn om in de beschikbare ruimte te passen. De vermogensomzettingscomponenten moeten zeer efficiënt zijn om een langere levensduur van het apparaat en een langere back-up uit een relatief kleine batterij mogelijk te maken. Aangezien apparatuur voor het volgen van activa meestal in gesloten behuizingen zit, is het belangrijk de interne warmteontwikkeling, die de levensduur en betrouwbaarheid negatief zou kunnen beïnvloeden, tot een minimum te beperken. Bijgevolg moet het energiesysteem een optimale combinatie bieden van miniaturisering en hoge efficiëntie. LDO's zijn weliswaar compact, maar niet de meest efficiënte optie.

In plaats daarvan kunnen ontwerpers zich wenden tot synchrone buck DC/DC-omzetters die een hoog conversierendement leveren. Zo is 72% efficiëntie een typische waarde voor een synchrone buck-conversie van 24 volt naar 3,3 volt, en 84% efficiëntie voor een conversie van 24 volt naar 5 volt. Het gebruik van synchrone DC/DC-convertors resulteert in een lagere thermische dissipatie, wat bijdraagt tot een hogere betrouwbaarheid en de mogelijkheid om een kleinere back-up batterij te gebruiken. De uitdaging bestaat erin een compacte oplossing te ontwerpen met de maximale ingangswaarde van 60 volt gelijkstroom die in deze toepassingen vereist is.

Synchrone buck IC's vs. geïntegreerde modules

Om de ontwerpdoelstellingen voor kleine afmetingen en efficiëntie te bereiken, kunnen ontwerpers kiezen uit oplossingen op basis van synchrone DC/DC-converter IC's of geïntegreerde DC/DC-convertormodules. Een typische 300 mA synchrone buck IC-oplossing vereist een 2-millimeter vierkant (mm²) IC, een spoel van ongeveer 4 mm², plus diverse andere passieve componenten, die in totaal 29,3 mm² printplaatoppervlak in beslag nemen. Als alternatief bieden Himalaya μSLIC geïntegreerde synchrone buck-modules van Maxim Integrated een oplossing die 28% kleiner is en slechts 21 mm² van het PC board-oppervlak inneemt (figuur 2).

Afbeelding 2: Vergeleken met een conventionele buckconvertor (links) neemt een Himalaya μSLIC power module oplossing (rechts) 28% minder printplaatruimte in beslag. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

Verticaal gaan

Himalaya μSLIC-vermogensmodules integreren verticaal de inductor en de buckconvertor-IC, wat resulteert in een aanzienlijke vermindering van de ruimte op de printplaat in vergelijking met typische vlakke oplossingen. De μSLIC-modules zijn geschikt voor gebruik tot 60 volt DC input, en van -40 tot +125 °C. Zelfs met verticale integratie zijn ze nog steeds low profile en compact in een 10-pins, 2,6 x 3 x 1,5 hoge mm verpakking (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: In een Himalaya μSLIC-vermogensmodule is de spoel verticaal op het IC geïntegreerd om de ruimte op de printplaat te minimaliseren. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

De MAXM15062/MAXM15063/MAXM15064 zeer efficiënte, synchrone buck-modules bevatten een geïntegreerde controller, MOSFET's, compensatiecomponenten en een spoel. Zij vereisen slechts enkele externe componenten om een volledige DC/DC-oplossing met hoog rendement te implementeren (Afbeelding 4). Deze modules kunnen tot 300 mA leveren en werken over een ingangsspanningsbereik van 4,5 tot 60 volt DC. De MAXM15064 heeft een uitgang die instelbaar is van 0,9 tot 5 volt DC, terwijl de MAXM15062 en MAXM15063 vaste uitgangen hebben van respectievelijk 3,3 en 5 volt DC.

Afbeelding 4: De MAXM15064 heeft slechts drie condensatoren en twee weerstanden nodig om een complete buck converter-oplossing te maken. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

Deze modules hebben een architectuur met piekstroomregeling die de voordelen biedt van cyclus-per-cyclus stroombegrenzing, inherente kortsluitbeveiliging en een goede transiënte respons. Ze hebben een vaste softstarttijd van 4,1 milliseconden (ms) om inschakelstromen te beperken. Ontwerpers kunnen zich tot deze efficiënte buck converter modules wenden om het ontwerpproces te stroomlijnen, productierisico's te verminderen en de time-to-market te versnellen.

Evaluatiesets tonen bewezen ontwerpen

De MAXM15064EVKIT#-evaluatiekit biedt een bewezen ontwerp om de MAXM15064 synchrone buck-module te evalueren (Afbeelding 5). Hij is geprogrammeerd om 5 volt DC te leveren voor belastingen tot 300 mA. Hij beschikt over een instelbare ingangsonderspanningsvergrendeling, een open-drain RESET-signaal en een selecteerbare pulsbreedtemodulatie (PWM) of pulsfrequentiemodulatie (PFM). De PFM-stand kan worden gebruikt om een hogere efficiëntie bij lichte belasting te bereiken. Het voldoet aan CISPR22 (EN55022) Klasse B geleide en uitgestraalde emissies en levert 78,68% efficiëntie met een 48-volt DC ingang en een uitgang van 200 mA.

Afbeelding 5: De MAXM15064EVKIT# is een 5-volt DC-uitgang evaluatiekit voor de MAXM15064 die tot 300 mA kan leveren. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

Bescherming IC's

Ontwerpers kunnen de MAX176xx instelbare overspannings- en overstroombeveiligings IC's gebruiken in combinatie met de MAXM1506x synchrone buckmodules voor een complete systeemoplossing. Deze IC's zitten in een 12-pins TDFN-EP-pakket en zijn ontworpen om systemen te beschermen tegen negatieve en positieve ingangsspanningsfouten van -65 tot +60 volt. Ze hebben een interne veldeffecttransistor (FET) met een typische inschakelweerstand (R_ON) van slechts 260 milliohms (mΩ). Het bereik van de ingangsoverspanningsbeveiliging is programmeerbaar van 5,5 tot 60 volt, terwijl het bereik van de ingangsonderspanningsbeveiliging instelbaar is van 4,5 tot 59 volt. Externe weerstanden worden gebruikt om de drempels voor overspanningsvergrendeling (OVLO) en onderspanningsvergrendeling (UVLO) in te stellen.

De stroombegrenzing is programmeerbaar met een weerstand tot 1 ampère (A) om inschakelstromen bij het laden van grote uitgangsfiltercondensatoren te helpen beheersen. De stroomlimiet kan in drie modi worden geïmplementeerd: auto retry, latch-off, of continu. De spanning op de SETI-pen is evenredig met de momentane stroom en kan worden afgelezen door een analoog-digitaalomzetter (ADC). Deze IC's hebben een bedrijfstemperatuurbereik van -40 tot +125°C en zijn voorzien van een thermische uitschakeling ter bescherming tegen te hoge temperaturen. Een optionele overspanningsbeveiliging kan worden gebruikt in toepassingen die hoge ingangsoverspanningen verwachten (Afbeelding 6). Er zijn drie IC's in de familie:

• De MAX17608 beschermt tegen overspanning, onderspanning en sperspanning.
• De MAX17609 beschermt tegen overspanning en onderspanning.
• De MAX17610 beschermt tegen sperspanning.

Afbeelding 6: Typische integratie van de MAX17608 en MAX17609 beschermings-IC's met de optionele overspanningsbeveiliging (links) voor toepassingen met hoge ingangsspanningen. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

Evaluatiekits voor beveiligings-IC's

Met de MAX17608EVKIT, de MAX17609EVKIT en de MAX17610EVKIT kunnen ontwerpers de prestaties van respectievelijk de MAX17608, MAX17609 en MAX17910 evalueren (Afbeelding 7). Zo is de MAX17608EVKIT een volledig geassembleerde en geteste printplaat voor het evalueren van de MAX17608. Hij is berekend op 4,5 tot 60 volt en 1 A, met onderspanning, overspanning, beveiliging tegen omgekeerde spanning en voorwaartse/achterwaartse stroombegrenzing. De MAX17608EVKIT kan worden geconfigureerd om instelbare onder- en overspanningsbeveiliging, drie stroombegrenzingsmodi en verschillende stroombegrenzingsdrempels aan te tonen.

Afbeelding 7: Evaluatieborden zoals de MAX17608EVKIT# voor de MAX17608, zijn ook beschikbaar voor de MAX17609 en MAX17610 protection ICs. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

PC-bordlayout richtlijnen

Bij het ontwerpen van de MAX1506x en MAX176xx moeten enkele basisrichtlijnen in acht worden genomen voor een succesvol ontwerp. Bijvoorbeeld voor de MAX1506x:

• De ingangscondensatoren moeten zo dicht mogelijk bij de IN- en GND-pennen staan.
• De uitgangscondensator moet zo dicht mogelijk bij de OUT- en GND-pennen staan.
• De terugkoppelingsweerstanden (FB) moeten zo dicht mogelijk bij de FB-pen staan.
• Gebruik korte voedingssporen en belastingsaansluitingen.

Voor de MAX176xx:

• Houd alle sporen zo kort mogelijk; dit minimaliseert eventuele parasitaire inducties en optimaliseert de reactietijd van de schakelaar op kortsluitingen aan de uitgang.
• Ingangs- en uitgangscondensatoren mogen niet meer dan 5 mm van het apparaat verwijderd zijn; dichterbij is beter.
• De IN- en OUT-pennen moeten met korte, brede sporen op de voedingsbus worden aangesloten.
• Het gebruik van thermische geleiders van het blootgestelde pad naar de massaplaat wordt aanbevolen om de thermische prestaties te verbeteren, vooral voor de continue stroombegrenzing.

Ter referentie toont figuur 8 zowel de MAXM17608 als de MAXM15062 en hun respectieve posities in de stroomketen.

Afbeelding 8: Een typisch blokschema voor apparatuur voor het volgen van activa dat laat zien waar synchrone buckconvertors en beschermings-IC's van Maxim Integrated passen (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

Conclusie

Zoals aangetoond, kunnen ontwerpers zich wenden tot de MAX1506x zeer efficiënte, synchrone buck-modules en de MAX176xx beschermings IC's om een complete voedings- en beschermingsoplossing te implementeren voor apparatuur voor het volgen van voertuigactiva. Als bij de implementatie de beste praktijken worden gevolgd, kan de resulterende oplossing efficiënt, compact en robuust zijn, terwijl productierisico's en nalevingsproblemen tot een minimum worden beperkt.

Aanbevolen leesmateriaal

1. Gebruik een cellulaire en GPS SiP om snel goederen te volgen voor landbouw en slimme steden.
2. Ontwerp snel plaatsbepalingssystemen met behulp van GNSS-modules
3. Snelle implementatie van GNSS-modules met meerdere sterrenbeelden voor plaatsbepaling