《電子技術(shù)應(yīng)用》
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助力小型資產(chǎn)跟蹤器實(shí)現(xiàn)更長時間續(xù)航

2023-10-28
作者:Anil Telikepalli,,管理總監(jiān)   Nazzareno Rossetti,,模擬和電源管理專家   Simo Radovic,應(yīng)用總監(jiān)
來源:ADI

  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(zhuǎn)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(shè)備中實(shí)現(xiàn)更長的電池壽命,。新興的低功耗數(shù)據(jù)連接技術(shù)部署成本低,,由此涌現(xiàn)了多種資產(chǎn)跟蹤解決方案。多個應(yīng)用領(lǐng)域都見證了這一點(diǎn),,運(yùn)輸和供應(yīng)鏈管理行業(yè)尤其明顯。

  在典型應(yīng)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(yùn)動的數(shù)據(jù),。傳感器只需傳輸少量數(shù)據(jù),所以其覆蓋密度更高,,功耗超低,,使設(shè)備實(shí)現(xiàn)更長久續(xù)航。傳感器的電池續(xù)航時間從幾周到長達(dá)數(shù)年,。根據(jù)具體的應(yīng)用,,資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用可能需要部署多個跟蹤器設(shè)備。相應(yīng)的,,這些資產(chǎn)跟蹤器設(shè)備必須小巧,、便攜,且經(jīng)濟(jì)高效,。

  在本設(shè)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(shè)備遇到的電源管理問題,,并展示使用小巧但高效的降壓轉(zhuǎn)換器的示例。

  邊緣到企業(yè)的通信

  圖1展示了一個典型的跟蹤通信鏈,。被跟蹤資產(chǎn)通過信標(biāo)傳輸數(shù)據(jù),,數(shù)據(jù)通過專用蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器。然后數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡髽I(yè)門戶,,用于資產(chǎn)管理和分析,。

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  圖1.實(shí)時GPS跟蹤

  資產(chǎn)跟蹤網(wǎng)絡(luò)

  新一代信標(biāo)直接連接至專用蜂窩網(wǎng)絡(luò)(LTE-M、NB-IoT),,無需通過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?qū)崿F(xiàn)長達(dá)幾年的電池續(xù)航時間(表1),。

  表1.網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

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  典型的資產(chǎn)跟蹤器系統(tǒng)

  圖2所示為典型的資產(chǎn)跟蹤器框圖。三個串聯(lián)的堿性電池提供2000 mAh電量,。降壓穩(wěn)壓器為板載控制器,、傳感器和無線電供電。

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  圖2.資產(chǎn)跟蹤器框圖

  對于要求較高的資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用,,該系統(tǒng)必須使用三節(jié)堿性電池持續(xù)運(yùn)行一年,,如圖3所示,資產(chǎn)跟蹤器每天會有一次持續(xù)約2分鐘的數(shù)據(jù)傳輸模式,,工作電流為100mA,,剩余時間處于深度睡眠模式,工作電流僅100μA,。但是實(shí)際上,,根據(jù)LTE-M或NB-IoT資產(chǎn)跟蹤器支持的功率電平和其他選項(xiàng),電流可能會高一些,,但在本文討論的示例中,,我們使用100 ?A至100 mA范圍。

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  圖3.資產(chǎn)跟蹤器的電流曲線

  為實(shí)現(xiàn)高性能,,需要小心謹(jǐn)慎地選擇每個模塊,,以確保功耗盡可能低。降壓穩(wěn)壓器必須在100 ?A至100 mA范圍內(nèi)保持高效率,。例如,,降壓轉(zhuǎn)換器平均損耗4%的效率,相當(dāng)于現(xiàn)場部署的續(xù)航時間縮短約兩周,。

  超低靜態(tài)電流

  降壓轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)電流尤其重要,,因?yàn)樵O(shè)備大部分時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,,輸入功率為:

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  如果未恰當(dāng)選擇降壓轉(zhuǎn)換器,,該轉(zhuǎn)換器消耗3 μA靜態(tài)電流(典型值),采用3.6 V輸入電壓,,就會額外產(chǎn)生以下功耗:

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  降壓轉(zhuǎn)換器最終效率:

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  3 μA靜態(tài)電流會導(dǎo)致降壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器幾乎不會降低其效率,,其效率僅降低0.5%。對于資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用,,選擇具有超低靜態(tài)電流的降壓轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要,,因?yàn)橄到y(tǒng)大部分時間都處于靜默狀態(tài),且僅依賴電池供電,。

  Nanopower降壓轉(zhuǎn)換器

  圖4所示的nanopower 330 nA超低靜態(tài)電流降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器是一個典型的高能效示例,,該器件采用1.8 V至5.5 V輸入電壓,支持高達(dá)175 mA負(fù)載電流,,峰值效率高達(dá)96%,。在休眠模式下,它僅消耗5 nA關(guān)斷電流,。該器件采用節(jié)省空間的1.42 mm × 0.89 mm,、6引腳晶圓級封裝(2個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,,可選擇同類器件來提供更高電流。

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  圖4.集成式降壓轉(zhuǎn)換器

  小尺寸

  Nanopower降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的占地面積如圖5所示,。由于采用WLP封裝、高開關(guān)頻率操作和小型外部無源器件,,該降壓轉(zhuǎn)換器的凈PCB面積僅為7.1 mm2,。

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  圖5.資產(chǎn)跟蹤器降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)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(zhuǎn)換器的效率曲線,。在高負(fù)載下同步整流,,在輕負(fù)載下進(jìn)行脈沖操作,超輕負(fù)載確保在寬工作范圍內(nèi)保持高效率,。

  該IC在100μA下的工作效率達(dá)87.5%,,在100 mA下的工作效率高達(dá)92%,因此非常適合資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用,。與其他替代解決方案相比,,這款降壓轉(zhuǎn)換器具有明顯的效率優(yōu)勢,。

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  圖6.MAX38640 效率曲線

  高效率和小尺寸優(yōu)勢相輔相成,有助于減少發(fā)熱,。在設(shè)計更小巧,、散熱性能更佳的資產(chǎn)跟蹤器時,能夠幫助緩解設(shè)備過熱的問題,。

  結(jié)論

  根據(jù)具體的應(yīng)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(xiàn)場持續(xù)運(yùn)行幾周到幾年,。針對此類應(yīng)用,,需要謹(jǐn)慎選擇每個模塊,以確保功耗盡可能低,。降壓穩(wěn)壓器必須在幾十微安到幾百毫安的輸入電流范圍內(nèi)保持高效運(yùn)行,。MAX3864x nanopower降壓轉(zhuǎn)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(yīng)用的電源解決方案,。



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