วิธีการจ่ายไฟและปกป้องอุปกรณ์ติดตามทรัพย์สินยานยนต์เพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานที่เชื่อถือได้

ความท้าทายด้านลอจิสติกส์และห่วงโซ่อุปทานสมัยใหม่สามารถช่วยได้โดยใช้การติดตามทรัพย์สินยานพาหนะทั่วทั้งยานยนต์เชิงพาณิชย์เพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพและประสิทธิผล อย่างไรก็ตาม นักออกแบบอุปกรณ์ติดตามทรัพย์สินยานยนต์จำเป็นต้องออกแบบให้มีความทนทาน สภาพแวดล้อมทางไฟฟ้าที่รุนแรง การกระแทกและการสั่นสะเทือนในระดับสูง และช่วงอุณหภูมิการทำงานที่กว้าง ในเวลาเดียวกัน สิ่งเหล่านี้ยังต้องเป็นไปตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ ประสิทธิภาพ และการป้องกันที่เพิ่มขึ้นในฟอร์มแฟคเตอร์ขนาดเล็กที่มีช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตกว้างขึ้น โดยทั่วไปคือ 4.5 ถึง 60 โวลต์กระแสตรง (dc)

ความสำคัญของการคุ้มครองไม่สามารถพูดเกินจริงได้ เมื่อพิจารณาจากสภาพการทำงานและมูลค่าทรัพย์สิน โดยทั่วไปจะต้องมีการป้องกันกระแสเกิน แรงดันไฟเกิน แรงดันไฟต่ำ และแรงดันย้อนกลับ เพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานที่เชื่อถือได้และรองรับความพร้อมใช้งานในระดับสูง

การออกแบบวงจรแปลงกำลังไฟฟ้าและวงจรป้องกันที่จำเป็นเพื่อให้บรรลุความต้องการในการปฏิบัติงานตั้งแต่เริ่มต้นอาจเป็นเรื่องที่ท้าทาย แม้ว่าการทำเช่นนี้จะนำไปสู่การออกแบบที่ปรับให้เหมาะสมที่สุด แต่ก็อาจนำไปสู่ความล่าช้าในการออกสู่ตลาด ต้นทุนที่มากเกินไป และปัญหาด้านการปฏิบัติตามข้อกำหนด นักออกแบบสามารถเปลี่ยนไปใช้โมดูลแปลงไฟ DC/DC แบบปิดชั้นวางและไอซีป้องกันได้

บทความนี้ทบทวนข้อกำหนดด้านพลังงานสำหรับอุปกรณ์ติดตามทรัพย์สินของยานพาหนะ และสรุปว่าสถาปัตยกรรมการจัดการและการป้องกันพลังงานโดยทั่วไปสำหรับอุปกรณ์เหล่านั้นมีลักษณะอย่างไร จากนั้นจะนำเสนอโมดูลตัวแปลง DC/DC ในโลกแห่งความเป็นจริงและไอซีป้องกันจาก ผลิตภัณฑ์ของ Maxim Integrated ที่นักออกแบบสามารถใช้ในแอปพลิเคชันเหล่านี้ได้ กระดานประเมินผลที่เกี่ยวข้องและแนวทางการจัดวางแผงวงจรพิมพ์ (PC board)

ข้อกำหนดด้านพลังงานของตัวติดตามทรัพย์สินของยานพาหนะ

แบตเตอรี่รถยนต์เป็นแหล่งพลังงานหลักสำหรับอุปกรณ์ติดตาม และโดยทั่วไปจะใช้ไฟ DC 12 โวลต์ในรถยนต์สำหรับผู้บริโภค และ 24 โวลต์ DC ในรถบรรทุกเพื่อการพาณิชย์ เครื่องมือติดตามทรัพย์สินมีจำหน่ายเป็นอุปกรณ์เสริมหลังการขาย และคาดว่าจะมีแบตเตอรี่สำรองแบบชาร์จใหม่ได้ซึ่งมีขนาดใหญ่พอที่จะใช้งานได้สองสามวัน นอกจากนี้ อุปกรณ์เหล่านี้ต้องการการปกป้องจากสภาวะชั่วครู่และความผิดปกติบนบัสส่งกำลังของรถยนต์ และมักจะรวมถึงคอนเวอร์เตอร์ DC/DC แบบสเต็ปดาวน์ร่วมกันและตัวควบคุมการดร็อปเอาต์ต่ำ (LDO) เพื่อจ่ายไฟให้กับองค์ประกอบของระบบ (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: ระบบไฟฟ้าในอุปกรณ์ติดตามทรัพย์สิน/การจัดการยานพาหนะทั่วไปประกอบด้วยตัวแปลง DC/DC แบบสเต็ปดาวน์สองตัวขึ้นไป LDO และ IC ป้องกัน (แหล่งที่มาภาพ: Maxim Integrated)

เนื่องจากถูกติดตั้งเป็นสินค้าหลังการขาย อุปกรณ์ติดตามทรัพย์สินจึงต้องมีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อให้พอดีกับพื้นที่ว่าง ส่วนประกอบการแปลงพลังงานต้องมีประสิทธิภาพสูงเพื่อให้ใช้งานได้นานขึ้นและสำรองข้อมูลได้นานขึ้นจากแบตเตอรี่ที่มีขนาดค่อนข้างเล็ก เนื่องจากอุปกรณ์ติดตามทรัพย์สินมักจะอยู่ในกล่องหุ้มที่ปิดสนิท สิ่งสำคัญคือต้องลดการสร้างความร้อนภายในที่อาจส่งผลเสียต่ออายุการใช้งานและความน่าเชื่อถือ เป็นผลให้ระบบไฟฟ้าต้องให้การผสมผสานที่ลงตัวของการย่อขนาดและประสิทธิภาพสูง แม้ว่า LDO จะมีขนาดกะทัดรัด แต่ก็ไม่ใช่ตัวเลือกที่มีประสิทธิภาพที่สุด

นักออกแบบสามารถเปลี่ยนไปใช้ตัวแปลง DC/DC แบบซิงโครนัสซึ่งให้ประสิทธิภาพการแปลงสูง ตัวอย่างเช่น ประสิทธิภาพ 72% เป็นค่าทั่วไปสำหรับการแปลงบั๊กซิงโครนัส 24 โวลต์ถึง 3.3 โวลต์ และประสิทธิภาพ 84% สำหรับการแปลง 24 โวลต์เป็น 5 โวลต์ การใช้ตัวแปลง DC/DC แบบซิงโครนัสส่งผลให้มีการกระจายความร้อนลดลง ส่งผลให้มีความน่าเชื่อถือสูงขึ้น และมีโอกาสใช้แบตเตอรี่สำรองที่มีขนาดเล็กลง ความท้าทายคือการออกแบบโซลูชันขนาดกะทัดรัดด้วยอัตราอินพุต DC สูงสุด 60 โวลต์ที่จำเป็นสำหรับแอปพลิเคชันเหล่านี้

ไอซีบั๊กซิงโครนัสกับโมดูลรวม

เพื่อให้บรรลุเป้าหมายการออกแบบสำหรับขนาดและประสิทธิภาพที่เล็ก นักออกแบบสามารถเลือกจากโซลูชันที่ใช้ IC คอนเวอร์เตอร์ DC/DC แบบซิงโครนัสหรือโมดูลตัวแปลง DC/DC ในตัว โซลูชัน IC แบบซิงโครนัสแบบซิงโครนัสขนาด 300 mA ทั่วไปต้องใช้สี่เหลี่ยมจัตุรัสขนาด 2 มิลลิเมตร (mm²) IC ตัวเหนี่ยวนำที่มีขนาดประมาณ 4 mm² พร้อมส่วนประกอบแบบพาสซีฟอื่น ๆ อีกหลายตัว ซึ่งกินพื้นที่รวม 29.3 mm² ของพื้นที่บอร์ดพีซี อีกทางเลือกหนึ่ง Himalaya μSLIC โมดูลบั๊กซิงโครนัสแบบบูรณาการจาก Maxim Integrated ให้โซลูชันที่เล็กกว่า 28% โดยมีขนาดเพียง 21 มม.² ของพื้นที่บอร์ด PC (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: เมื่อเทียบกับการใช้ตัวแปลงบั๊กทั่วไป (ซ้าย) โซลูชันโมดูลพลังงาน Himalaya μSLIC (ขวา) ใช้พื้นที่บอร์ดน้อยกว่า 28% (แหล่งที่มาภาพ: Maxim Integrated)

แนวดิ่ง

โมดูลพลังงาน μSLIC ของ Himalaya จะรวมตัวเหนี่ยวนำและ IC ตัวแปลงบั๊กในแนวตั้ง ส่งผลให้พื้นที่บอร์ด PC ลดลงอย่างมากเมื่อเทียบกับโซลูชันระนาบทั่วไป โมดูล μSLIC ได้รับการจัดอันดับสำหรับการทำงานสูงสุด 60 โวลต์อินพุต DC และตั้งแต่ -40 ถึง +125°C แม้จะมีการรวมในแนวตั้ง พวกมันก็ยังมีขนาดเล็กและกะทัดรัดในแพ็คเกจสูง 10 พิน 2.6 x 3 x 1.5 มม. (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: ในโมดูลพลังงาน Himalaya μSLIC ตัวเหนี่ยวนำถูกรวมในแนวตั้งบน IC เพื่อลดพื้นที่บอร์ด (แหล่งที่มาภาพ: Maxim Integrated)

MAXM15062/MAXM15063/MAXM15064 โมดูลบั๊กซิงโครนัสที่มีประสิทธิภาพสูงประกอบด้วยคอนโทรลเลอร์ในตัว, MOSFET, ส่วนประกอบการชดเชย และตัวเหนี่ยวนำ พวกเขาต้องการส่วนประกอบภายนอกเพียงไม่กี่ตัวเพื่อใช้โซลูชัน DC/DC ที่มีประสิทธิภาพสูงอย่างสมบูรณ์ (รูปที่ 4) โมดูลเหล่านี้สามารถส่งได้ถึง 300 mA และทำงานในช่วงแรงดันไฟฟ้าขาเข้า 4.5 ถึง 60 โวลต์ DC MAXM15064 มีเอาต์พุตที่ปรับได้ตั้งแต่ 0.9 ถึง 5 โวลต์ DC ในขณะที่ MAXM15062 และ MAXM15063 มีเอาต์พุตคงที่ที่ 3.3 และ 5 โวลต์ DC ตามลำดับ

รูปที่ 4: MAXM15064 ต้องการตัวเก็บประจุเพียงสามตัวและตัวต้านทานสองตัวเพื่อสร้างโซลูชันตัวแปลงบั๊กที่สมบูรณ์ (แหล่งที่มาภาพ: Maxim Integrated)

โมดูลเหล่านี้มีสถาปัตยกรรมการควบคุมโหมดกระแสไฟสูงสุดซึ่งมีข้อดีของการจำกัดกระแสแบบทีละวงจร การป้องกันไฟฟ้าลัดวงจรโดยธรรมชาติ และการตอบสนองชั่วคราวที่ดี พวกมันมีเวลาเริ่มต้นที่นุ่มนวล 4.1 มิลลิวินาที (ms) เพื่อลดกระแสไหลเข้า นักออกแบบสามารถเปลี่ยนไปใช้โมดูลตัวแปลงบั๊กที่มีประสิทธิภาพเหล่านี้เพื่อปรับปรุงกระบวนการออกแบบ ลดความเสี่ยงในการผลิต และเร่งเวลาในการออกสู่ตลาด

ชุดประเมินผลแสดงการออกแบบที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว

MAXM15064EVKIT# ชุดประเมินผลให้การออกแบบที่ได้รับการพิสูจน์แล้วเพื่อประเมินโมดูลบั๊กซิงโครนัส MAXM15064 (รูปที่ 5) มันถูกตั้งโปรแกรมให้จ่ายไฟ DC 5 โวลต์สำหรับโหลดสูงสุด 300 mA โดยมีคุณสมบัติในการล็อคเอาท์ทตแรงดันอินพุตที่ปรับได้ สัญญาณ RESET แบบเปิดท่อระบายน้ำ และโหมดการปรับความกว้างพัลส์ที่เลือกได้ (PWM) หรือโหมดการปรับความถี่พัลส์ (PFM) สามารถใช้โหมด PFM เพื่อมอบประสิทธิภาพการรับน้ำหนักเบาที่สูงขึ้น สอดคล้องกับ CISPR22 (EN55022) Class B ที่ดำเนินการและปล่อยมลพิษและให้ประสิทธิภาพ 78.68% ด้วยอินพุต DC 48 โวลต์และเอาต์พุต 200 mA

รูปที่ 5: MAXM15064EVKIT# เป็นชุดประเมินผล DC 5 โวลต์สำหรับ MAXM15064 ที่สามารถจ่ายไฟได้สูงถึง 300 mA (แหล่งที่มาภาพ: Maxim Integrated)

ไอซีป้องกัน

นักออกแบบสามารถใช้ไอซีป้องกันกระแสเกินและป้องกันกระแสเกินที่ปรับได้ MAX176xx พร้อมกับโมดูลบั๊กซิงโครนัส MAXM1506x สำหรับโซลูชันระบบที่สมบูรณ์ ไอซีเหล่านี้อยู่ในแพ็คเกจ TDFN-EP 12 พิน และได้รับการออกแบบมาเพื่อปกป้องระบบจากความผิดพลาดของแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่เป็นลบและบวกตั้งแต่ -65 ถึง +60 โวลต์ พวกมันมีทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามภายใน (FET) ที่มีความต้านทานทั่วไป (R_ON) เพียง 260 มิลลิโอห์ม (mΩ) ช่วงการป้องกันแรงดันไฟเกินอินพุตสามารถตั้งโปรแกรมได้ตั้งแต่ 5.5 ถึง 60 โวลต์ ในขณะที่ช่วงการป้องกันแรงดันไฟตกอินพุตสามารถปรับได้ตั้งแต่ 4.5 ถึง 59 โวลต์ ตัวต้านทานภายนอกใช้เพื่อตั้งค่าอินพุท overvoltage-lockout (OVLO) และ undervoltage-lockout (UVLO)

การป้องกันขีดจำกัดกระแสสามารถตั้งโปรแกรมได้ด้วยตัวต้านทานสูงถึง 1 แอมแปร์ (A) เพื่อช่วยควบคุมกระแสไฟเข้าเมื่อชาร์จตัวเก็บประจุตัวกรองเอาท์พุตขนาดใหญ่ ขีด จำกัด ปัจจุบันสามารถใช้งานได้ในสามโหมด ลองใหม่อัตโนมัติ ปิดเครื่อง หรือต่อเนื่อง แรงดันไฟฟ้าบนพิน SETI เป็นสัดส่วนกับกระแสไฟทันทีและสามารถอ่านได้โดยตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล (ADC) ไอซีเหล่านี้มีช่วงอุณหภูมิในการทำงาน -40 ถึง +125°C และรวมการปิดระบบระบายความร้อนเพื่อป้องกันอุณหภูมิที่มากเกินไป สามารถใช้อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากเสริมในแอปพลิเคชันที่คาดการณ์กระแสไฟกระชากอินพุตสูง (รูปที่ 6) มีสาม ICs ในครอบครัว:

• MAX17608 ป้องกันแรงดันไฟเกิน แรงดันไฟต่ำ และแรงดันย้อนกลับ
• MAX17609 ป้องกันแรงดันไฟเกินและแรงดันไฟต่ำ
• MAX17610 ป้องกันแรงดันย้อนกลับ

รูปที่ 6: การผสานรวมโดยทั่วไปของไอซีป้องกัน MAX17608 และ MAX17609 แสดงตัวป้องกันไฟกระชาก (ซ้าย) ที่เป็นตัวเลือกสำหรับการใช้งานไฟกระชากอินพุตสูง (แหล่งที่มาภาพ: Maxim Integrated)

ชุดประเมินสำหรับไอซีป้องกัน

MAX17608EVKIT, MAX17609EVKIT และMAX17610EVKIT ช่วยให้นักออกแบบสามารถประเมินประสิทธิภาพของ MAX17608, MAX17609 และ MAX17910 ตามลำดับ (รูปที่ 7) ตัวอย่างเช่น MAX17608EVKIT เป็นแผงวงจรที่ประกอบและทดสอบอย่างสมบูรณ์เพื่อประเมิน MAX17608 ได้รับการจัดอันดับสำหรับ 4.5 ถึง 60 โวลต์และ 1 A ที่มีแรงดันไฟต่ำ แรงดันไฟเกิน การป้องกันแรงดันย้อนกลับ และขีดจำกัดกระแสไฟเดินหน้า/ถอยหลัง MAX17608EVKIT สามารถกำหนดค่าเพื่อแสดงการป้องกันแรงดันตกและแรงดันไฟเกินที่ปรับได้ โหมดจำกัดกระแสไฟสามโหมด และขีดจำกัดกระแสไฟแบบต่างๆ

รูปที่ 7: แผงประเมินผล เช่น MAX17608EVKIT# สำหรับ MAX17608 มีให้สำหรับ IC ป้องกัน MAX17609 และ MAX17610 ด้วย (แหล่งที่มาภาพ: Maxim Integrated)

แนวทางการจัดวางบอร์ดพีซี

เมื่อวางโครง MAX1506x และ MAX176xx หลักเกณฑ์พื้นฐานบางประการควรยึดถือเพื่อการออกแบบที่ประสบความสำเร็จ ตัวอย่างเช่น สำหรับ MAX1506x:

• ตัวเก็บประจุอินพุตควรอยู่ใกล้กับพิน IN และ GND มากที่สุด
• ตัวเก็บประจุเอาต์พุตควรอยู่ใกล้กับพิน OUT และ GND มากที่สุด
• ตัวแบ่งตัวต้านทานป้อนกลับ (FB) ควรอยู่ใกล้กับพิน FB มากที่สุด
• ใช้การติดตามพลังงานระยะสั้นและการเชื่อมต่อโหลด

สำหรับ MAX176xx:

• เก็บร่องรอยทั้งหมดให้สั้นที่สุด สิ่งนี้ช่วยลดความเหนี่ยวนำของปรสิตและปรับเวลาตอบสนองของสวิตช์ให้เหมาะสมเพื่อเอาต์พุตลัดวงจร
• ตัวเก็บประจุอินพุตและเอาต์พุตไม่ควรห่างจากอุปกรณ์เกิน 5 มม. ใกล้ชิดจะดีกว่า
• พิน IN และ OUT จะต้องเชื่อมต่อกับพาวเวอร์บัสที่มีร่องรอยสั้นและกว้าง
• ขอแนะนำให้ใช้ช่องระบายความร้อนจากแผ่นสัมผัสไปยังระนาบพื้นเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการระบายความร้อน โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับโหมดจำกัดกระแสไฟต่อเนื่อง

สำหรับการอ้างอิง รูปที่ 8 แสดงทั้ง MAXM17608 และ MAXM15062 และตำแหน่งตามลำดับในห่วงโซ่พลังงาน

รูปที่ 8: ไดอะแกรมบล็อกอุปกรณ์ติดตามทรัพย์สินทั่วไปซึ่งแสดงตำแหน่งตัวแปลงบั๊กแบบซิงโครนัสและไอซีป้องกันจาก Maxim Integrated fit (แหล่งที่มาภาพ: Maxim Integrated)

สรุป

ดังที่แสดงไว้ นักออกแบบสามารถเปลี่ยนไปใช้โมดูลบั๊กซิงโครนัสที่มีประสิทธิภาพสูง MAX1506x และไอซีป้องกัน MAX176xx เพื่อใช้โซลูชันด้านพลังงานและการป้องกันที่สมบูรณ์สำหรับอุปกรณ์ติดตามทรัพย์สินของยานพาหนะ ตามหลักปฏิบัติที่ดีที่สุดในระหว่างการดำเนินการ โซลูชันที่ได้จะมีประสิทธิภาพ กะทัดรัด และทนทาน ในขณะเดียวกันก็ลดความเสี่ยงด้านการผลิตและปัญหาการปฏิบัติตามข้อกำหนด

บทความแนะนำ

1. ใช้มือถือและ GPS SiP เพื่อดำเนินการติดตามทรัพย์สินอย่างรวดเร็วสำหรับการเกษตรและเมืองอัจฉริยะ
2. ออกแบบระบบติดตามตำแหน่งอย่างรวดเร็วโดยใช้โมดูล GNSS
3. วิธีการใช้โมดูล GNSS หลายกลุ่มตำแหน่งอย่างรวดเร็ว