助力小型資產(chǎn)跟蹤器實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航

摘要

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(dòng)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(zhǎng)久續(xù)航。傳感器的電池續(xù)航時(shí)間從幾周到長(zhǎng)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(gè)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(jì)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(wèn)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(gè)典型的跟蹤通信鏈。被跟蹤資產(chǎn)通過(guò)信標(biāo)傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過(guò)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。

圖1 實(shí)時(shí)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(wú)需通過(guò)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(zhǎng)達(dá)幾年的電池續(xù)航時(shí)間（表1）。

表1 網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

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(gè)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(wú)線電供電。

圖2 資產(chǎn)跟蹤器框圖

對(duì)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(huì)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(shí)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(huì)高一些，但在本文討論的示例中，我們使用100 μA至100 mA范圍。

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(gè)模塊，以確保功耗盡可能低。降壓穩(wěn)壓器必須在100 μA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(chǎng)部署的續(xù)航時(shí)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(shí)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V_OUT = 1.8 V，在深度睡眠狀態(tài)下，輸出功率P_OUT=1.8 V × 100 μA = 180 μW。η = 90%時(shí)，輸入功率為：

   (1)

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(huì)額外產(chǎn)生以下功耗：

   (2)

降壓轉(zhuǎn)換器最終效率：

   (3)

3 μA靜態(tài)電流會(huì)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(huì)降低其效率，其效率僅降低0.5%。對(duì)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(shí)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(gè)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(jí)封裝（2個(gè)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(lái)提供更高電流。

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(kāi)關(guān)頻率操作和小型外部無(wú)源器件，該降壓轉(zhuǎn)換器的凈PCB面積僅為7.1 mm²。

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(shì)

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100 μA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(shì)。

圖6 MAX38640效率曲線

高效率和小尺寸優(yōu)勢(shì)相輔相成，有助于減少發(fā)熱。在設(shè)計(jì)更小巧、散熱性能更佳的資產(chǎn)跟蹤器時(shí)，能夠幫助緩解設(shè)備過(guò)熱的問(wèn)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(chǎng)持續(xù)運(yùn)行幾周到幾年。針對(duì)此類應(yīng)用，需要謹(jǐn)慎選擇每個(gè)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。

參考資料

MAX38640 ADI公司

MAX38641 ADI公司

MAX38642 ADI公司

MAX38643 ADI公司

關(guān)于作者

Anil Telikepalli是ADI公司核心產(chǎn)品事業(yè)部的管理總監(jiān)，負(fù)責(zé)電源和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品。Anil于2010年加入ADI公司，并與北美、歐洲和亞洲的全球團(tuán)隊(duì)共同管理定義、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、營(yíng)銷和業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)。在加入ADI之前，Anil先后在Xilinx和MIPS Technologies擔(dān)任工程應(yīng)用、營(yíng)銷、業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)等多個(gè)職位，推動(dòng)通信、計(jì)算、消費(fèi)電子、汽車和工業(yè)市場(chǎng)發(fā)展。他擁有肯塔基大學(xué)和奧斯馬尼亞大學(xué)的電氣工程碩士和學(xué)士學(xué)位，且在該領(lǐng)域擁有多項(xiàng)專利，為多家硬件和互聯(lián)網(wǎng)軟件初創(chuàng)公司提供建議。

Nazzareno (Reno) Rossetti是ADI公司的模擬和電源管理專家。他是一名出版作家，在該領(lǐng)域擁有多項(xiàng)專利。Reno擁有意大利都靈理工大學(xué)電氣工程博士學(xué)位。

Simo Radovic是ADI公司先進(jìn)消費(fèi)電子電源團(tuán)隊(duì)的電源產(chǎn)品應(yīng)用總監(jiān)。他擁有超過(guò)16年的DC/DC開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器工作經(jīng)驗(yàn)。Simo擁有圣何塞州立大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位。