Zasilanie i zabezpieczanie urządzeń do śledzenia pojazdów w celu zapewnienia niezawodnego działania

Współczesne problemy związane z logistyką i łańcuchem dostaw można złagodzić poprzez wdrożenie śledzenia pojazdów użytkowych w całej flocie w celu zapewnienia wydajności i skuteczności. Projektanci urządzeń śledzenia pojazdów muszą jednak mieć na uwadze potrzebę zapewnienia wytrzymałej konstrukcji, możliwość występowania trudnych warunków elektrycznych, wysokiego poziomu wstrząsów i drgań oraz uwzględniać szeroki zakres temperatur roboczych. Jednocześnie muszą oni spełniać rosnące wymagania w dziedzinie parametrów działania, sprawności i ochrony w mniejszych obudowach o szerszym zakresie napięć wejściowych - zwykle od 4,5 do 60V prądu stałego (=).

Ze względu na warunki robocze i wartość aktywów, nie można lekceważyć wysokiego znaczenia zabezpieczeń. W celu zapewnienia niezawodnego działania i wysokiego poziomu dostępności, w urządzeniu trzeba przewidzieć ochronę przed nadmiernym prądem, nadmiernym napięciem, zbyt niskim napięciem i napięciem wstecznym.

Projektowanie od podstaw obwodów konwersji mocy i obwodów ochronnych niezbędnych do spełnienia tych wymagań roboczych może być trudne. Pozwala to uzyskać w pełni zoptymalizowany projekt, ale może również prowadzić do wydłużenia czasu wprowadzania produktu na rynek, przekroczenia kosztów i problemów ze zgodnością z przepisami. Zamiast tego projektanci mogą sięgnąć po gotowe moduły przetwornic prądu stałego i zabezpieczające układy scalone.

W niniejszym artykule omówiono wymagania dotyczące zasilania urządzeń śledzenia pojazdów i przedstawiono typową architekturę zarządzania zasilaniem i ochrony tych urządzeń. Następnie przedstawiono rzeczywiste moduły przetwornic prądu stałego i zabezpieczające układy scalone firmy Maxim Integrated Products, które projektanci mogą wykorzystać w opisywanych zastosowaniach. Przedstawiono także powiązane płytki ewaluacyjne oraz wskazówki dotyczące układów płytek drukowanych.

Wymagania dotyczące zasilania układu śledzenia pojazdu

Podstawowym źródłem zasilania urządzeń śledzących jest zwykle akumulator pojazdu, który ma zazwyczaj napięcie 12V= w pojazdach użytkowych i 24V= w samochodach ciężarowych. Urządzenia do śledzenia aktywów są sprzedawane jako akcesoria dodatkowe i zwykle posiadają baterię zapasową wielokrotnego ładowania o pojemności wystarczającej do pracy przez kilka dni. Ponadto urządzenia te wymagają ochrony przed stanami nieustalonymi i usterkami w magistrali zasilającej pojazdu. Zazwyczaj na potrzeby zasilania komponentów są one wyposażone w kombinację obniżających przetwornic prądu stałego i regulatorów napięcia o niskim spadku (LDO) (ilustracja 1).

Ilustracja 1: układ zasilania w typowym urządzeniu do śledzenia aktywów lub zarządzania flotą pojazdów obejmuje co najmniej dwie obniżające przetwornice prądu stałego, regulator napięcia o niskim spadku (LDO) i zabezpieczający układ scalony. (Źródło ilustracji: Maxim Integrated)

Ponieważ urządzenia do śledzenia aktywów są instalowane jako komponenty motoryzacyjne doposażeniowe, muszą być możliwie najmniejsze, aby zmieściły się w dostępnych przestrzeniach. Komponenty do konwersji mocy muszą być wysokosprawne, aby zapewnić dłuższy czas eksploatacji urządzenia i dłuższy czas pracy przy zasilaniu z relatywnie małej baterii. Ponieważ urządzenia do śledzenia aktywów znajdują się zazwyczaj w zamkniętych obudowach, ważne jest, aby zminimalizować ilość generowanego ciepła wewnętrznego, które mogłoby mieć negatywny wpływ na żywotność i niezawodność urządzenia. W rezultacie układ zasilania musi zapewniać optymalną kombinację miniaturyzacji i wysokiej sprawności. Pomimo kompaktowości, regulatory LDO nie są najbardziej wydajną opcją.

Zamiast tego projektanci mogą sięgnąć po synchroniczne obniżające przetwornice prądu stałego, które zapewniają wysokie sprawności konwersji. Na przykład sprawność 72% to typowa wartość dla synchronicznych przetwornic obniżających napięcie z 24V na 3,3V, a 84% dla konwersji z 24V na 5V. Zastosowanie synchronicznych przetwornic prądu stałego zmniejsza ilość rozpraszanego ciepła, co przyczynia się do większej niezawodności i możliwości użycia mniejszej baterii zapasowej. Wyzwanie polega na zaprojektowaniu kompaktowego rozwiązania o maksymalnym napięciu znamionowym 60V= wymaganym w omawianych zastosowaniach.

Synchroniczne obniżające układy scalone kontra moduły zintegrowane

Aby osiągnąć założenia projektowe w dziedzinie małych rozmiarów i wysokiej sprawności, projektanci mogą wybrać rozwiązania oparte na synchronicznych układach scalonych przetwornic prądu stałego lub zintegrowanych modułach przetwornic prądu stałego. Typowe synchroniczne rozwiązanie obniżające 300mA z układem scalonym wymaga układu scalonego o powierzchni 2mm², cewki indukcyjnej o powierzchni 4mm² oraz kilku innych komponentów pasywnych, zajmujących łącznie powierzchnię 29,3mm² na płytce drukowanej. Alternatywnym rozwiązaniem są zintegrowane synchroniczne moduły obniżające Himalaya μSLIC firmy Maxim Integrated, które są o 28% mniejsze, gdyż zajmują tylko 21mm² powierzchni płytki drukowanej (ilustracja 2).

Ilustracja 2: porównanie implementacji z konwencjonalną przetwornicą obniżającą (po lewej) z modułem zasilania Himalaya μSLIC (po prawej) zajmującym o 28% mniej miejsca na płytce. (Źródło ilustracji: Maxim Integrated)

Rozwiązania pionowe

Moduły zasilania Himalaya μSLIC zawierają zintegrowaną cewkę indukcyjną oraz układ scalony przetwornicy obniżającej, czemu zawdzięczają znaczne zmniejszenie zajmowanej na płytce głównej przestrzeni w porównaniu z typowymi rozwiązaniami płaskimi. Moduły μSLIC są przystosowane do pracy z napięciem wejściowym do 60V= w temperaturach od -40 do +125°C. Pomimo integracji w pionie są one niskoprofilowe i kompaktowe, zamknięte w 10-wyprowadzeniowej obudowie o wymiarach 2,6 x 3 x 1,5mm (ilustracja 3).

Ilustracja 3: w module zasilania Himalaya μSLIC cewka indukcyjna jest pionowo zintegrowana z układem scalonym w celu zminimalizowania zajmowanej przestrzeni na płytce. (Źródło ilustracji: Maxim Integrated)

Synchroniczne moduły obniżające MAXM15062/MAXM15063/MAXM15064 o wysokiej sprawności posiadają zintegrowany kontroler, tranzystory MOSFET, komponenty kompensacyjne oraz cewkę indukcyjną. Do wdrożenia kompletnego rozwiązania do konwersji prądu stałego o wysokiej sprawności wymagają one zaledwie kilku komponentów zewnętrznych (ilustracja 4). Moduły te mogą dostarczać prąd o natężeniu do 300mA i mogą pracować w zakresie napięć wejściowych od 4,5 do 60V=. Napięcie wyjściowe urządzenia MAXM15064 można regulować w zakresie od 0,9 do 5V=, natomiast napięcia wyjściowe w urządzeniach MAXM15062 i MAXM15063 mają stałe wartości - odpowiednio 3,3 i 5V=.

Ilustracja 4: aby stworzyć kompletne rozwiązanie konwersji mocy przy życiu urządzenia MAXM15064 potrzeba zaledwie trzech kondensatorów i dwóch rezystorów. (Źródło ilustracji: Maxim Integrated)

Moduły te charakteryzują się architekturą sterowania prądem szczytowym, która oferuje zalety ograniczania natężenia prądu w sposób cykliczny, ochrony przed zwarciem i dobrej odpowiedzi impulsowej. Mają stały czas płynnego uruchamiania (4,1ms), co zmniejsza natężenie prądów rozruchowych. Sięgając po omawiane wysokosprawne moduły przetwornic obniżających, projektanci mogą udoskonalić proces projektowania, zmniejszyć ryzyko związane z produkcją i skrócić czas wprowadzania produktu na rynek.

Sprawdzone zestawy ewaluacyjne

Do ewaluacji synchronicznego modułu obniżającego MAXM15064 służy zestaw ewaluacyjny MAXM15064EVKIT# o sprawdzonej konstrukcji (ilustracja 5). Jest zaprogramowany tak, aby dostarczać prąd stały o napięciu 5V przy obciążeniu do 300mA. Posiada regulowaną blokadę pracy przy zbyt niskim napięciu, sygnał resetowania otwartego drenu oraz możliwość wyboru trybu modulacji szerokości impulsu (PWM) lub modulacji częstotliwości impulsów (PFM). Tryb modulacji częstotliwości impulsów (PFM) może być używany w celu zapewnienia wyższej sprawności przy niskim obciążeniu. Spełnia on wymagania normy CISPR22 (EN55022) dla klasy B w dziedzinie emisji promieniowania i zapewnia 78,68% sprawność przy napięciu wejściowym 48V= i wyjściowym natężeniu prądu 200mA.

Ilustracja 5: zestaw ewaluacyjny MAXM15064EVKIT# z wyjściem 5 V= dla układu scalonego MAXM15064 może dostarczać prąd o natężeniu do 300mA. (Źródło ilustracji: Maxim Integrated)

Zabezpieczające układy scalone

Aby uzyskać kompletne rozwiązanie, projektanci mogą użyć regulowanych układów scalonych MAX176xx zabezpieczających przed zbyt wysokim napięciem i zbyt wysokim natężeniem wraz z synchronicznymi modułami obniżającymi MAXM156x. Omawiane układy scalone są wyposażone w 12-wtykową obudowę TDFN-EP i są przeznaczone do ochrony układów przed usterkami wynikającymi z ujemnych i dodatnich napięć wejściowych w zakresie od -65 do +60V. Posiadają wewnętrzny tranzystor polowy (FET) o typowej rezystancji w stanie włączenia (R_ON) wynoszącej zaledwie 260mΩ. Zabezpieczenie nadnapięciowe wejścia można zaprogramować w zakresie od 5,5 do 60V, natomiast zabezpieczenie podnapięciowe wejścia można regulować w zakresie od 4,5 do 59V. Rezystory zewnętrzne służą do ustawiania wartości progowych blokady pracy przy zbyt wysokim napięciu (OVLO) i blokady pracy przy zbyt niskim napięciu (UVLO).

Zabezpieczenie ograniczające prąd jest programowane za pomocą rezystora do natężenia 1A, co pomaga kontrolować prądy rozruchowe podczas ładowania dużych wyjściowych kondensatorów filtrujących. Ograniczanie prądu można zrealizować w trzech trybach: automatyczna ponowna próba, blokada wyłączenia lub tryb ciągły. Napięcie na wtyku SETI jest proporcjonalne do prądu chwilowego i może być odczytane przez przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC). Omawiane układy scalone mają zakres temperatur roboczych od -40 do +125°C i są wyposażone w wyłączanie termiczne chroniące przed nadmiernymi temperaturami. W zastosowaniach, w których przewiduje się wysoki prąd udarowy na wejściu można wykorzystać opcjonalny ogranicznik przepięć (ilustracja 6). Do tej grupy produktów należą trzy układy scalone:

• Układ MAX17608 chroni przed zbyt wysokim napięciem, zbyt niskim napięciem i napięciem wstecznym.
• Układ MAX17609 chroni przed zbyt wysokim napięciem i zbyt niskim napięciem.
• Układ MAX17610 chroni przed napięciem wstecznym.

Ilustracja 6: typowa integracja zabezpieczających układów scalonych MAX17608 i MAX17609 z opcjonalnym ogranicznikiem przepięć (po lewej) do zastosowań z wysokim prądem udarowym na wejściu. (Źródło ilustracji: Maxim Integrated)

Zestawy ewaluacyjne do zabezpieczających układów scalonych

Płytki ewaluacyjne MAX17608EVKIT, MAX17609EVKIT i MAX17610EVKIT umożliwiają projektantom ewaluację parametrów działania układów scalonych odpowiednio MAX17608, MAX17609 oraz MAX17910 (ilustracja 7). Na przykład urządzenie MAX17608EVKIT jest w pełni zmontowaną i przetestowaną płytką drukowaną do ewaluacji układów MAX17608. Napięcie znamionowe mieści się w zakresie od 4,5 do 60V, a natężenie 1A. Posiada zabezpieczenie przed zbyt niskim napięciem, nadmiernym napięciem, napięciem wstecznym oraz ograniczenie prądu przewodzenia i wstecznego. Płytkę ewaluacyjną MAX17608EVKIT można skonfigurować w taki sposób, aby sprawdzić regulowane zabezpieczenie przed zbyt niskim napięciem i zabezpieczenie nadnapięciowe oraz trzy tryby ograniczania prądu, a także różne wartości progowe ograniczania prądu.

Ilustracja 7: płytki ewaluacyjne, jak na przykład MAX17608EVKIT# dla układu scalonego MAX17608, są również dostępne dla zabezpieczających układów scalonych MAX17609 i MAX17610. (Źródło ilustracji: Maxim Integrated)

Wskazówki dotyczące układu płytki drukowanej

Podczas planowania rozmieszczenia urządzeń MAX1506x i MAX176xx należy przestrzegać pewnych podstawowych wytycznych gwarantujących udany projekt. Na przykład w przypadku układu scalonego MAX1506x:

• Kondensatory wejściowe powinny znajdować się jak najbliżej wtyków IN i GND.
• Kondensator wyjściowy powinien znajdować się jak najbliżej wtyków OUT i GND.
• Dzielniki rezystorowe sprzężenia zwrotnego (FB) powinny znajdować się jak najbliżej wtyku FB.
• Należy stosować krótkie ścieżki zasilania i połączenia obciążenia.

W przypadku układu MAX176xx:

• Wszystkie ścieżki powinny być możliwie jak najkrótsze. Ogranicza to do minimum wszelką indukcyjność pasożytniczą i skraca czas reakcji przełączania na zwarcie na wyjściu.
• Kondensatory wejściowe i wyjściowe powinny znajdować się w odległości nie większej niż 5mm od urządzenia - im bliżej, tym lepiej.
• Wtyki IN i OUT muszą być połączone z magistralą zasilającą krótkimi, szerokimi ścieżkami.
• Zaleca się stosowanie przelotek termicznych od odsłoniętego pola do płaszczyzny uziemienia, aby poprawić parametry termiczne, szczególnie w trybie ciągłego ograniczenia prądu.

Dla celów poglądowych na ilustracji 8 przedstawiono urządzenia MAXM17608 i MAXM15062 oraz ich odpowiednie pozycje w łańcuchu zasilania.

Ilustracja 8: typowy schemat blokowy urządzeń do śledzenia aktywów pokazujący miejsce instalacji synchronicznych przetwornic obniżających i zabezpieczających układów scalonych firmy Maxim Integrated. (Źródło ilustracji: Maxim Integrated)

Podsumowanie

Aby wdrożyć kompletne rozwiązanie do zasilania i ochrony dla urządzeń do śledzenia pojazdów, projektanci mogą sięgnąć po synchroniczne moduły obniżające MAX1506x o wysokiej sprawności oraz zabezpieczające układy scalone MAX176xx. Zgodnie z najważniejszymi dobrymi praktykami podczas implementacji, rozwiązanie takie może być wydajne, kompaktowe i wytrzymałe, a jednocześnie zminimalizować zagrożenia związane z produkcją i problemy ze zgodnością z normami.

Rekomendowane artykuły

1. Użycie układów SiP wykorzystujących technologie GPS i komórkowe do szybkiego wdrażania śledzenia aktywów w rolnictwie oraz inteligentnych miastach
2. Szybkie projektowanie systemów śledzenia lokalizacji przy użyciu modułów globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS)
3. Szybkie wdrażanie pozycjonujących wielokonstelacyjnych modułów globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS)