車輛跟蹤系統(tǒng)：隨時(shí)隨地，盡在掌控之中

作者/Steve Knoth ADI 公司 Power by Linear產(chǎn)品 高級(jí)產(chǎn)品市場(chǎng)工程師

　　車輛跟蹤系統(tǒng)非常適合監(jiān)視一輛汽車或整個(gè)車隊(duì)。跟蹤系統(tǒng)由自動(dòng)跟蹤硬件和用于收集數(shù)據(jù)(如果需要的話，還有數(shù)據(jù)傳輸)的軟件組成。2015年，全球車隊(duì)管理市場(chǎng)的規(guī)模為80億美元，預(yù)計(jì)到2022年將超過220億美元，從2016年到2023年，年復(fù)合增長(zhǎng)率將超過20%(數(shù)據(jù)來源：Global Market Insights)。拉美、中東和非洲對(duì)商用車輛的需求在上升，這對(duì)車輛跟蹤系統(tǒng)而言也是一種潛在的增長(zhǎng)機(jī)會(huì)。在歐洲、北美等發(fā)達(dá)地區(qū)，預(yù)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)與車輛的集成會(huì)促使車輛跟蹤系統(tǒng)采用率的提高，盡管集成的高成本減緩了這一過程。此外，預(yù)計(jì)同一時(shí)期亞洲車輛跟蹤市場(chǎng)的規(guī)模將顯著增長(zhǎng)，日本、印度和中國是起主要驅(qū)動(dòng)作用的國家。這些新興市場(chǎng)之所以潛力巨大，主要是因?yàn)樯逃密囕v眾多。同一時(shí)期，在拉美、中東和非洲，由于不同國家車輛采用率的上升，車輛跟蹤市場(chǎng)預(yù)計(jì)也會(huì)有適度增長(zhǎng)(數(shù)據(jù)來源：Global Market Insights)。

　　1主動(dòng)跟蹤器與被動(dòng)跟蹤器

　　主動(dòng)跟蹤器和被動(dòng)跟蹤器收集數(shù)據(jù)的方式相同，也同樣準(zhǔn)確。這兩種類型跟蹤器的主要區(qū)別在于時(shí)間。主動(dòng)跟蹤器也稱為“實(shí)時(shí)”跟蹤器，因?yàn)樗鼈兺ㄟ^衛(wèi)星或蜂窩網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)，即時(shí)指示車輛位置。電腦屏幕可以實(shí)時(shí)顯示車輛的移動(dòng)。因此，如果企業(yè)希望提高運(yùn)送效率并了解員工現(xiàn)場(chǎng)駕駛情況，那么主動(dòng)跟蹤是最佳選擇。主動(dòng)式跟蹤器還具備一種“地理圍欄”能力(把這種功能想象為類似“力場(chǎng)”)，其可在汽車進(jìn)入或離開某個(gè)預(yù)定位置時(shí)提供警示信號(hào)(信息來源：RMT公司)。另外，此類系統(tǒng)還能幫助防止車輛失竊或追回被盜車輛。當(dāng)然，主動(dòng)GPS跟蹤設(shè)備比被動(dòng)跟蹤設(shè)備貴，而且需要按月支付服務(wù)費(fèi)。

　　另一方面，被動(dòng)跟蹤器價(jià)格較低，但數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量受限，不過它們更小，更易于隱藏。被動(dòng)跟蹤器在設(shè)備上存儲(chǔ)信息，而不是向一個(gè)遠(yuǎn)程地點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。這種跟蹤器必須從車輛上拿下來，連到電腦上，才能查看其中存儲(chǔ)的信息。這類系統(tǒng)適合出于工作目的跟蹤里程的人，也適合希望減少車輛濫用的企業(yè)。另外，被動(dòng)跟蹤器也常常用來監(jiān)察人員的行動(dòng)(可以想象成偵探工作)。如果不需要即刻反饋，而是定期檢查設(shè)備數(shù)據(jù)，那么被動(dòng)跟蹤器是個(gè)很好的選擇。

　　無論哪一種類型的跟蹤器，本質(zhì)上都是便攜式的，外形尺寸相對(duì)較小。因此需要電池電源，也需要備份功能以在萬一斷電時(shí)保存數(shù)據(jù)。由于給電池(通常是單節(jié)鋰離子電池)充電需要較高的汽車系統(tǒng)電壓和較大的電流，所以開關(guān)模式充電器是可取的，因?yàn)榕c線性電池充電IC相比，開關(guān)模式充電器充電效率較高，以功耗形式產(chǎn)生的熱量較少。大體上，嵌入式汽車應(yīng)用的輸入電壓可能高達(dá)30 V，有些甚至更高。在這些GPS跟蹤定位系統(tǒng)中，一個(gè)充電器和常見的12 V至單節(jié)鋰離子電池(典型值為3.7 V)、針對(duì)高得多的輸入電壓(在發(fā)生源于電池漂移之電壓瞬變的場(chǎng)合)的附加保護(hù)、以及某種類型的備份能力將是理想的配置。

　　2電池充電 IC 的設(shè)計(jì)問題

　　傳統(tǒng)的線性拓?fù)潆姵爻潆娖魍蚱渚o湊的占板面積、簡(jiǎn)單性和適中的成本而受到重視。不過，傳統(tǒng)線性充電器有一些缺點(diǎn)，包括輸入和電池電壓范圍受限、電流消耗相對(duì)較大、功耗過大(產(chǎn)生熱量)、充電終止算法受限以及效率相對(duì)較低。另一方面，開關(guān)模式電池充電器是很受歡迎的選擇，因?yàn)檫@類充電器具備拓?fù)潇`活性，可對(duì)多種化學(xué)組成的電池充電，充電效率高，因此最大限度減少了熱量，可實(shí)現(xiàn)快速充電，另外還有很寬的工作電壓范圍。當(dāng)然，權(quán)衡總是存在的。開關(guān)充電器的缺點(diǎn)包括：成本相對(duì)較高、基于電感器的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜、可能產(chǎn)生噪聲以及解決方案占板面積較大。由于以上提及的開關(guān)充電器的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)代鉛酸電池、無線電源、能量收集、太陽能充電、遠(yuǎn)程傳感器和嵌入式汽車應(yīng)用大多用開關(guān)模式充電器供電。

　　傳統(tǒng)上，跟蹤器中面向電池的備份電源管理系統(tǒng)由多個(gè)IC組成，包括一個(gè)高壓降壓型穩(wěn)壓器和一個(gè)電池充電器，還有所有分立式組件，這決不是一種緊湊的解決方案。因此，早期跟蹤系統(tǒng)的外形尺寸不是很緊湊。典型的跟蹤系統(tǒng)應(yīng)用使用汽車電池和單節(jié)鋰離子電池支持存儲(chǔ)和備份。

　　那么，為什么跟蹤系統(tǒng)需要集成度更高的電源管理解決方案呢?首先，必需減小跟蹤器自身的尺寸;在這個(gè)市場(chǎng)里，尺寸是越小越好。此外，還要求對(duì)電池進(jìn)行安全的充電和為IC提供針對(duì)電壓瞬變的保護(hù)、需要擁有系統(tǒng)備份能力以應(yīng)對(duì)系統(tǒng)電源消失或發(fā)生故障的情況、以及為通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)芯片組相對(duì)較低的電源軌電壓(~4.45 V)供電。

　　3電源備份管理器

　　一個(gè)滿足前述要求、集成了電源備份管理器和充電器的解決方案需要具備以下特點(diǎn)：

　　· 同步降壓型拓?fù)湟詫?shí)現(xiàn)高效率;

　　· 很寬的輸入電壓范圍，以適合各種輸入電源，還要針對(duì)高壓瞬態(tài)提供保護(hù);

　　· 適當(dāng)?shù)碾姵爻潆婋妷阂灾С諫PRS芯片組;

　　· 通過內(nèi)置充電終止(無需微處理器)簡(jiǎn)便和自主地運(yùn)行;

　　· PowerPath?控制——發(fā)生電源故障時(shí)，在輸入電源和備份電源之間實(shí)現(xiàn)無縫切換，如果發(fā)生輸入短路，這項(xiàng)控制功能還需要提供反向隔離;

　　· 提供備份電池，當(dāng)輸入消失或出故障時(shí)為系統(tǒng)負(fù)載供電;

　　· 由于空間限制，需要提供占板面積很小的扁平解決方案;

　　· 先進(jìn)的封裝以改善熱性能和空間利用率。

　　為了滿足這些特定需求，ADI公司最近推出了LTC4091，這是一款完整的鋰離子電池備份管理系統(tǒng)，適合在主電源長(zhǎng)時(shí)間故障時(shí)必須保持運(yùn)行的3.45 V至4.45 V電源軌。LTC4091采用一個(gè)36 V單片降壓型轉(zhuǎn)換器，具自適應(yīng)輸出控制，以從降壓型轉(zhuǎn)換器輸出給系統(tǒng)負(fù)載供電，并支持高效率電池充電。當(dāng)外部電源可用時(shí)，該器件可提供高達(dá)2.5 A的總輸出電流，并可為單節(jié)4.1 V或4.2 V鋰離子電池提供高達(dá)1.5 A的充電電流。如果主輸入源出故障，不能再給負(fù)載供電，LTC4091就通過一個(gè)內(nèi)部理想二極管，從備份鋰離子電池向系統(tǒng)輸出負(fù)載提供高達(dá)4 A的電流，如果使用一個(gè)外部理想二極管晶體管，就可提供相對(duì)不受限制的電流。為了保護(hù)敏感的下游負(fù)載，最大輸出負(fù)載電壓限制為4.45 V。在電源出故障時(shí)，該器件的PowerPath?控制在輸入電源和備份電源之間提供無縫切換，通過短路輸入支持反向隔離。LTC4091的典型應(yīng)用包括車隊(duì)和財(cái)產(chǎn)跟蹤、汽車GPS數(shù)據(jù)記錄儀和遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、以及通信和工業(yè)備份系統(tǒng)。

　　LTC4091提供60V絕對(duì)最大輸入過壓保護(hù)，因此該IC可以抵御很高的輸入電壓瞬態(tài)。LTC4091的電池充電器提供兩個(gè)為鋰離子電池備份應(yīng)用而優(yōu)化的、引腳可選的充電電壓：標(biāo)準(zhǔn)4.2 V電壓，以及可權(quán)衡電池運(yùn)行時(shí)間和充電/放電周期壽命的4.1 V可選電壓。其他特點(diǎn)包括在啟動(dòng)和過載時(shí)控制輸出電流的軟啟動(dòng)和頻率折返以及涓流充電、自動(dòng)充電、低電池電量預(yù)充電、充電定時(shí)器終止、熱量調(diào)節(jié)和一個(gè)用于溫度合格充電的熱敏電阻器引腳。

　　LTC4091 采用扁平 (0.75 mm) 22 引腳 3 mm x 6 mm DFN 封裝，提供背面金屬焊盤以實(shí)現(xiàn)卓越的熱性能。該器件在 –40 °C 至 125 °C 的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。圖 1 顯示了該器件的典型應(yīng)用原理圖。

　　圖1 LTC4091 的典型應(yīng)用原理圖

　　AUTOMOTIVE INPUT：汽車輸入

　　6V TO 36V：6V 至 36V

　　2A MAX：2A 最大值

　　LOAD：負(fù)載

　　4.45V MAX：4.45V 最大值

　　Li-Ion BATTERY：鋰離子電池

　　4熱量調(diào)節(jié)保護(hù)

　　為了防止熱量過高損壞該IC或周圍組件，如果芯片溫度上升至約105 °C，內(nèi)部熱量反饋環(huán)路就自動(dòng)降低設(shè)定的充電電流。熱量調(diào)節(jié)防止由于大功率運(yùn)行或環(huán)境溫度太高導(dǎo)致LTC4091過熱，使用戶能夠突破給定電路板設(shè)計(jì)的功率處理能力之極限，而不會(huì)面臨損壞LTC4091或外部組件的風(fēng)險(xiǎn)。熱量調(diào)節(jié)環(huán)路的好處是，充電電流可以按照實(shí)際條件而不是最差條件設(shè)定，同時(shí)確保電池充電器會(huì)在最差條件下自動(dòng)降低電流。

　　5穿越汽車?yán)滠嚢l(fā)動(dòng)情況

　　汽車應(yīng)用會(huì)經(jīng)歷電源電壓的大幅下降，例如在冷車發(fā)動(dòng)情況下，電源電壓大幅下降可能導(dǎo)致高壓開關(guān)穩(wěn)壓器失去調(diào)節(jié)能力，導(dǎo)致過大的VC電壓，并因此在VIN恢復(fù)時(shí)導(dǎo)致過大的輸出過沖。為了防止從冷車發(fā)動(dòng)情況恢復(fù)時(shí)出現(xiàn)過沖，有必要通過RUN/SS引腳使LTC4091的軟啟動(dòng)電路復(fù)位。以下圖2示出了一款簡(jiǎn)單電路的實(shí)例，該電路可自動(dòng)檢測(cè)欠壓狀況并使RUN/SS引腳復(fù)位，重新接入軟啟動(dòng)功能電路以及防止發(fā)生具有破壞性的輸出過沖。

　　圖2 冷車發(fā)動(dòng)穿越電路

　　AUTOMOTIVE INPUT：汽車輸入

　　6結(jié)論

　　汽車和車隊(duì)跟蹤系統(tǒng)的采用率正在上升?，F(xiàn)代跟蹤器的外形尺寸在減小，功能在增加，包括主動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸功能，以支持實(shí)時(shí)跟蹤。此外，還需要備份功能以及用來給系統(tǒng)中 GPRS 芯片組供電的較低電壓。ADI 的 Power by Linear? 產(chǎn)品 LTC4091是一款高壓、大電流降壓型電池充電器和 PowerPath 備份管理器，提供熱量調(diào)節(jié)和廣泛的保護(hù)，為車輛跟蹤應(yīng)用提供了一款緊湊、強(qiáng)大和靈活的單芯片解決方案，使設(shè)計(jì)師的任務(wù)更簡(jiǎn)單、更容易了。