Jak napájet a chránit zařízení na sledování vozidla, aby byl zajištěn spolehlivý provoz

Výzvám moderní logistiky a dodavatelského řetězce lze pomoci implementací sledování vozidel napříč parky užitkových vozidel, aby byla zajištěna účinnost a efektivita. Konstruktéři zařízení na sledování vozidel však musí pamatovat na robustnost, náročná elektrická prostředí, vysokou úroveň otřesů a vibrací a široký rozsah provozních teplot. Zároveň musí stále splňovat rostoucí požadavky na výkon, účinnost a ochranu v menších tvarových faktorech se širším rozsahem vstupního napětí - obvykle 4,5 až 60 V DC.

Vzhledem k provozním podmínkám a hodnotě majetku nelze důležitost ochrany podceňovat. Obvykle musí zahrnovat ochranu proti nadproudu, přepětí, podpětí a zpětnému napětí, aby byl zajištěn spolehlivý provoz a podpora vysoké úrovně dostupnosti.

Návrh obvodů na převod napájecího napětí a ochranu potřebných k dosažení těchto provozních požadavků od začátku může být náročný. Takový postup sice může vést k plně optimalizovanému návrhu, může však znamenat také zpoždění uvedení na trh, překročení nákladů či problémy s dodržováním předpisů. Namísto toho mohou konstruktéři využít standardní napájecí moduly DC/DC měničů a ochranné integrované obvody.

Tento článek shrnuje požadavky na napájení sledovacích zařízení vozidel a nastiňuje, jak vypadá typická architektura správy napájení a ochrany pro tato zařízení. Poté představuje skutečné moduly DC/DC měničů a ochranné integrované obvody od společnosti Maxim Integrated, které mohou konstruktéři v těchto aplikacích využívat. K dispozici jsou také související vyhodnocovací desky a pokyny k uspořádání obvodových desek.

Požadavky na napájení sledovacích zařízení vozidel

Primárním zdrojem energie pro sledovací zařízení je baterie vozidla, která obvykle používá stejnosměrné napětí 12 V u spotřebitelských vozidel a 24 V u nákladních vozidel. Sledovače majetku se prodávají jako dodatečné příslušenství a očekává se, že budou obsahovat dobíjecí záložní baterii, která je dostatečně velká, aby vydržela několik dní. Tato zařízení navíc vyžadují ochranu před přechodovými a poruchovými stavy na napájecí sběrnici vozidla a obvykle obsahují kombinaci snižujících DC/DC převodníků a regulátory s nízkým úbytkem napětí (LDO) pro napájení prvků systému (obrázek 1).

Obrázek 1: Napájecí systém v typickém zařízení na sledování majetku/správu vozového parku obsahuje dva nebo více snižujících DC/DC převodníků, regulátor s nízkým úbytkem napětí (LDO) a ochranný obvod. (Zdroj obrázku: Maxim Integrated)

Vzhledem k tomu, že zařízení na sledování majetku jsou instalována jako dodatečná příslušenství, musí být co nejmenší, aby se vešla do dostupných prostor. Součásti na převod energie musí být vysoce účinné, aby umožnily delší životnost zařízení a delší zálohování z relativně malé baterie. Vzhledem k tomu, že zařízení na sledování majetku jsou obvykle umístěna v uzavřených pouzdrech, je důležité minimalizovat vnitřní tvorbu tepla, která by mohla negativně ovlivnit životnost a spolehlivost. V důsledku toho musí napájecí systém poskytovat optimální kombinaci miniaturizace a vysoké účinnosti. Ačkoli jsou regulátory s nízkým úbytkem napětí (LDO) kompaktní, nepředstavují nejúčinnější volbu.

Konstruktéři mohou namísto toho využívat synchronní DC/DC snižovače napětí, které poskytují vysokou účinnost převodu. Například typická hodnota účinnosti pro synchronní převod z 24 V na 3,3 V je 72 % a pro převod z 24 V na 5 V představuje 84 %. Použití synchronních DC/DC měničů má za následek nižší tepelné ztráty, což přispívá k vyšší spolehlivosti a možnosti použití menší záložní baterie. Úkolem je navrhnout kompaktní řešení s maximálním vstupním jmenovitým napětím 60 V DC, které je v těchto aplikacích vyžadováno.

Synchronní snižovací integrované obvody v porovnání s integrovanými moduly

Pro dosažení konstrukčních cílů malých rozměrů a účinnosti mohou konstruktéři zvolit řešení založená na integrovaných obvodech se synchronním DC/DC převodníkem nebo integrovaných modulech DC/DC převodníků. Typické 300mA synchronní řešení se snižovacím obvodem vyžaduje IO o ploše 2 milimetrů čtverečních (mm²), induktor zabírající přibližně 4 mm² plus několik dalších pasivních součástek, což představuje celkem 29,3 mm² plochy na obvodové desce. Alternativní řešení poskytují integrované synchronní snižovací moduly Himalaya μSLIC od společnosti Maxim Integrated, které jsou o 28 % menší a zabírají pouhých 21 mm² plochy obvodové desky (obrázek 2).

Obrázek 2: Ve srovnání s běžnou implementací snižovače napětí (vlevo) zabírá řešení výkonového modulu Himalaya μSLIC (vpravo) o 28 % méně místa na desce. (Zdroj obrázku: Maxim Integrated)

Přechod na svislé uspořádání

Napájecí moduly Himalaya μSLIC vertikálně integrují induktor a integrovaný obvod snižovacího převodníku, což vede k výraznému snížení prostoru na obvodové desce ve srovnání s typickými rovinnými řešeními. Moduly μSLIC jsou dimenzovány na provoz se vstupním napětím až 60 V DC v rozsahu teplot -40 až +125 °C. I při vertikální integraci jsou tyto moduly stále nízkoprofilové a kompaktní v 10pinovém pouzdru o rozměrech 2,6 x 3 x 1,5 mm (obrázek 3).

Obrázek 3: U napájecího modulu Himalaya μSLIC je induktor v integrovaném obvodu umístěn vertikálně, aby byl minimalizován prostor na desce. (Zdroj obrázku: Maxim Integrated)

Vysoce účinné, synchronní snižovací moduly MAXM15062 /MAXM15063 /MAXM15064 zahrnují integrovaný řadič, tranzistory MOSFET, kompenzační součásti a induktor. K implementaci kompletního a vysoce účinného řešení DC/DC převodu stačí jen několik externích součástek (obrázek 4). Tyto moduly mohou dodávat proud až 300 mA a pracovat v rozsahu vstupního napětí 4,5 až 60 V DC. Modul MAXM15064 má výstup nastavitelný od 0,9 do 5 V DC, zatímco MAXM15062 a MAXM15063 mají pevné výstupy 3,3 a 5 V DC.

Obrázek 4: Modul MAXM15064 vyžaduje pouze tři kondenzátory a dva odpory k vytvoření kompletního řešení převodníku. (Zdroj obrázku: Maxim Integrated)

Tyto moduly používají architekturu řízení v režimu špičkového proudu, která nabízí výhody omezování proudu po jednotlivých cyklech, vlastní ochranu proti zkratu a dobrou přechodovou odezvu. Mají pevnou dobu měkkého startu 4,1 ms, aby došlo ke snížení náběhových proudů. Konstruktéři mohou tyto účinné snižovací moduly využívat k zefektivnění procesu návrhu, snížení výrobních rizik a zkrácení doby uvedení na trh.

Vyhodnocovací soupravy ukazují osvědčené konstrukce

Vyhodnocovací souprava MAXM15064EVKIT# poskytuje osvědčenou konstrukci pro vyhodnocování synchronního snižovacího modulu MAXM15064 (obrázek 5). Je naprogramována tak, aby dodávala napětí 5 V DC do zátěží až 300 mA. Je vybavena nastavitelným blokováním při poklesu vstupního podpětí, signálem RESET s otevřeným odtokem a volitelným režimem pulzně-šířkové (PWM) nebo pulzně-frekvenční (PFM) modulace. Režim PFM lze použít k dosažení vyšší účinnosti při nízké zátěži. Souprava vyhovuje normě CISPR22 (EN55022) třídy B pro vedené a vyzařované emise a poskytuje 78,68% účinnost při vstupním napětí 48 V DC a ,výstupním proudu 200 mA.

Obrázek 5: MAXM15064EVKIT# je vyhodnocovací souprava s 5V stejnosměrným výstupem pro modul MAXM15064 schopná dodávat až proud 300 mA. (Zdroj obrázku: Maxim Integrated)

Ochranné integrované obvody

Konstruktéři mohou k vytvoření kompletního systémového řešení společně se synchronními snižovacími moduly MAXM1506x využívat integrované obvody MAX176xx s nastavitelnou přepěťovou a nadproudovou ochranou. Tyto integrované obvody jsou umístěny v 12pinovém pouzdru TDFN-EP a jsou navrženy tak, aby chránily systémy před zápornými a kladnými chybami vstupního napětí -65 až +60 V. Jsou osazeny vnitřním, polem řízeným tranzistorem (FET) s typickým odporem v sepnutém stavu (R_ON) pouhých 260 mΩ. Rozsah vstupní přepěťové ochrany je programovatelný od 5,5 do 60 V, zatímco rozsah vstupní podpěťové ochrany lze nastavit od 4,5 do 59 V. K nastavení prahových hodnot vstupního přepěťového (OVLO) a podpěťového (UVLO) blokování se používají externí odpory.

Proudová ochrana je programovatelná až do 1 A pomocí odporu, který pomáhá kontrolovat zapínací proudy při nabíjení velkých výstupních filtračních kondenzátorů. Proudový limit lze implementovat ve třech režimech: automatické opakování, latch-off nebo nepřetržitě. Napětí na pinu SETI je úměrné okamžitému proudu a lze jej odečítat pomocí analogově-digitálního převodníku (ADC). Tyto integrované obvody mají rozsah provozních teplot -40 až +125 °C jsou osazeny tepelným vypínačem jako ochranou proti nadměrným teplotám. V aplikacích, které předpokládají vysoké vstupní rázové proudy, lze použít volitelný omezovač proudu (obrázek 6). Skupina zahrnuje integrované obvody:

• Obvod MAX17608 chrání proti přepětí, podpětí a zpětnému napětí.
• Obvod MAX17609 chrání proti přepětí a podpětí.
• Obvod MAX17610 chrání proti zpětnému napětí.

Obrázek 6: Typická integrace ochranných obvodů MAX17608 a MAX17609 zobrazující volitelný omezovač proudu (vlevo) pro aplikace s vysokými vstupními nárazovými proudy. (Zdroj obrázku: Maxim Integrated)

Vyhodnocovací soupravy pro ochranné IO

Vyhodnocovací soupravy MAX17608EVKIT, MAX17609EVKIT a MAX17610EVKIT umožňují konstruktérům vyhodnocovat výkonnost modulů MAX17608, MAX17609, resp. MAX17910 (obrázek 7). Například MAX17608EVKIT je plně sestavená a testovaná obvodová deska na vyhodnocování modulu MAX17608. Je dimenzována na napětí 4,5 V až 60 V a proud 1 A s ochranou proti podpětí, přepětí a zpětnému napětí a proudovým limitem vpřed/vzad. Soupravu MAX17608EVKIT lze nakonfigurovat tak, aby demonstrovala nastavitelnou podpěťovou a přepěťovou ochranu, tři režimy proudového limitu a různé prahové hodnoty proudu.

Obrázek 7: Vyhodnocovací desky, například MAX17608EVKIT# pro modul MAX17608, jsou k dispozici také pro ochranné integrované obvody MAX17609 a MAX17610. (Zdroj obrázku: Maxim Integrated)

Pokyny k uspořádání obvodové desky

Při rozmisťování obvodů MAX1506x a MAX176xx je třeba dodržovat některé základní pokyny pro úspěšnou konstrukci. Příklad pro obvod MAX1506x:

• Vstupní kondenzátory by měly být umístěny co nejblíže pinům IN a GND.
• Výstupní kondenzátor by měl být umístěn co nejblíže pinům OUT a GND.
• Zpětnovazební (FB) odporové děliče by měly být umístěny co nejblíže pinu FB.
• Použijte krátké napájecí trasy a přívody k zátěži.

Pro obvod MAX176xx:

• Dbejte na to, aby veškeré spoje byly co nejkratší; tím se minimalizují jakékoli parazitní indukčnosti a optimalizuje se doba odezvy spínače na zkraty na výstupu.
• Vstupní a výstupní kondenzátory by neměly být od zařízení vzdáleny více než 5 mm; bližší umístění je lepší.
• Piny IN a OUT musí být připojeny k napájecí sběrnici krátkými a širokými spoji.
• Pro zlepšení tepelného výkonu se doporučuje použít tepelné průchody z exponované podložky k zemní desce, zejména pro režim trvalého proudového limitu.

Obrázek 8 pro informaci znázorňuje oba moduly MAXM17608 a MAXM15062 a jejich příslušné pozice v napájecím řetězci.

Obrázek 8: Typické blokové schéma sledovacího zařízení znázorňující, kam se hodí snižovací synchronní převodníky a ochranné integrované obvody od společnosti Maxim Integrated. (Zdroj obrázku: Maxim Integrated)

Závěr

Jak bylo ukázáno, konstruktéři mohou využívat vysoce účinné, synchronní snižovací moduly MAX1506x a ochranné integrované obvody MAX176xx k implementaci kompletního řešení napájení a ochrany pro zařízení na sledování vozidel. Dodržování základních osvědčených postupů během implementace může vést k účinnému, kompaktnímu i robustnímu výslednému řešení při současné minimalizaci výrobních rizik a problémů s dodržováním předpisů.

Doporučeno k přečtení

1. Využití mobilních a GPS systémů SiP k rychlé implementaci sledování zařízení v zemědělství a chytrých městech
2. Rychlý návrh systémů sledování polohy pomocí modulů GNSS
3. Jak rychle implementovat polohovací moduly GNSS Multi-Constellation