如何为车辆资产跟踪设备供电并提供保护以确保设备可靠运行
作者：Jeff Shepard
通过在商用车队中实现车辆资产跟踪以确保效率和效益，有助于化解现代物流和供应链所面临的挑战。但是，车辆资产跟踪设备的设计人员需要在设计中解决设备稳健性、恶劣的电气环境、高冲击和高振动以及宽工作温度范围等诸多问题。与此同时，它们仍须在更小的外形尺寸和更宽的输入电压范围（通常为 4.5 至 60 V 直流电压）内满足日益增长的性能、效率和保护要求。
鉴于设备的运行条件和资产价值，保护功能的重要性怎么强调都不为过。通常，它必须能够针对过流、过压、欠压和反向电压等状况提供保护，确保设备能够可靠地运行并支持高可用性。
从头开始设计满足这些运行要求所需的电源转换和保护电路可能颇具挑战性。虽然这样做可以获得充分优化的设计，但也可能导致延后上市时间、成本超支和合规性问题。反之，设计人员可以转而采用现成即用的 DC/DC 转换器电源模块和保护 IC。
本文将回顾车辆资产跟踪设备的电源要求，并概述这些设备的典型电源管理和保护架构。然后介绍来自 Maxim Integrated Products 的真实世界 DC/DC 转换器模块和保护 IC，设计人员可以在这类应用中使用。此外还提供了相关的评估板和印刷电路板（PC 板）布局指南。
车辆资产跟踪器的电源要求
车辆电池是跟踪设备的主电源，在消费类车辆中通常为 12 V 直流，在商用卡车中为 24 V 直流。资产跟踪器作为售后配件出售，预计包括一个可充电的备用电池，足够维持几天的续航时间。此外，这些设备还需要防范车辆电源总线上的瞬态和故障状况，它们通常采用降压 DC/DC 转换器和低压差稳压器 (LDO) 的组合来为系统元件供电（图 1）。
图 1：典型资产跟踪/车队管理设备中的电源系统包括两个或更多降压 DC/DC 转换器、一个 LDO 和一个保护 IC。（图片来源：Maxim Integrated）
由于资产跟踪设备是作为售后产品安装的，所以必须尽可能地小，以适应可用空间。电源转换元器件需要具备较高的效率，以凭借相对较小的电池实现更长的设备使用寿命和更久的备用时间。由于资产跟踪设备通常置于密封外壳内，必须尽量减少内部发热，以免对使用寿命和可靠性产生负面影响。因此，电源系统必须兼具小型化和高效率的最优组合。虽然 LDO 非常小巧，但它们并非最高效的选择。
相反，设计人员可以转而采用同步降压 DC/DC 转换器提供高转换效率。例如，24 V 至 3.3 V 同步降压转换的典型效率为 72%，24 V 至 5 V 的转换效率为 84%。使用同步 DC/DC 转换器可减少散热，有助于提高可靠性，并有机会使用体积更小的备用电池。需要克服的挑战在于，设计一个紧凑型解决方案，提供这类应用所需的 60 V DC 最大额定输入电压。
同步降压 IC 与集成模块的比较
为实现小尺寸和高效率的设计目标，设计人员可以在基于同步 DC/DC 转换器 IC 或基于集成式 DC/DC 转换器模块的解决方案之间进行选择。典型的 300 mA 同步降压 IC 解决方案需要一块 2 mm2 的 IC、一个约 4 mm2 的电感器，加上其他若干无源元器件，共计占用 29.3 mm2 的 PC 板面积。另外，Maxim Integrated 的 Himalaya μSLIC 集成式同步降压模块也提供了一种解决方案，其外形缩小了 28%，仅占用 21 mm2 的 PC 板面积（图 2）。
图 2：与传统的降压转换器实现（左图）相比，Himalaya μSLIC 电源模块解决方案（右图）占用的板空间减少了 28%。（图片来源：Maxim Integrated）
垂直集成
Himalaya μSLIC 电源模块在垂直方向集成了电感器和降压转换器 IC，与典型的平面解决方案相比，大幅减小了 PC 板空间。μSLIC 模块的额定工作电压高达 60 V DC，工作温度为 -40 至 +125℃。即使对于垂直集成，它们仍保持了扁平、紧凑的外形，并采用 10 针 2.6 x 3 x 1.5（高）mm 封装（图 3）。
图 3：在 Himalaya μSLIC 电源模块中，电感器垂直集成在 IC 上，以最大限度减小板空间。（图片来源：Maxim Integrated）
MAXM15062/MAXM15063/MAXM15064 高效率同步降压模块包括一个集成式控制器、MOSFET、补偿元器件和一个电感器。它们只需要若干外部元器件就能实现完整的高效率 DC/DC 解决方案（图 4）。这些模块可以提供高达 300 mA 的电流，并在 4.5 至 60 V DC 输入电压范围内工作。MAXM15064 的输出电压可在 0.9 至 5 V DC 范围内调节，而 MAXM15062 和 MAXM15063 则分别具有 3.3 和 5 V DC 固定输出电压。
图 4：MAXM15064 只需三个电容器和两个电阻器就能构成完整的降压转换器解决方案。（图片来源：Maxim Integrated）
这些模块采用峰值电流模式控制架构，具有逐周期电流限制、固有短路保护和良好的瞬态响应等优点。它们有固定的 4.1 ms 软启动时间，以减少涌流。设计人员可以转而采用这类高效率的降压转换器模块，以简化设计流程，降低制造风险，加快上市速度。
评估套件展示经验证的设计
MAXM15064EVKIT# 评估套件提供了经验证的设计来评估 MAXM15064 同步降压模块（图 5）。它经过编程，可以为负载提供最高 300 mA 的 5 V 直流电。该套件具有可调节的输入欠压锁定、开漏 RESET 信号，以及可选择的脉冲宽度调制 (PWM) 或脉冲频率调制 (PFM) 模式。PFM 模式可用于提供更高的轻载效率。它符合 CISPR22 (EN55022) B 类传导和辐射规范，在 48 V DC 输入下可提供 78.68% 的效率和 200 mA 输出电流。
图 5：MAXM15064EVKIT# 是适用于 MAXM15064 的 5 V DC 输出评估套件，可提供高达 300 mA 的电流。（图片来源：Maxim Integrated）
保护 IC
设计人员可以将 MAX176xx 可调节过压和过流保护 IC 与 MAXM1506x 同步降压模块一起用于完整的系统解决方案。这些 IC 采用 12 针 TDFN-EP 封装，适用于保护系统，避免在 -65 至 +60 V 范围内出现负输入电压和正输入电压故障。它们有一个内部场效应晶体管 (FET)，其典型导通电阻 (RON) 仅为 260 mΩ。输入过压保护范围可在 5.5 至 60 V 范围内编程设定，而输入欠压保护范围则可在 4.5 至 59 V 范围内调整。外部电阻器用于设置输入过压锁定 (OVLO) 和欠压锁定 (UVLO) 阈值。
电流限制保护可通过一个电阻器进行编程，最大不超过 1 A，以帮助控制在对大型输出滤波电容器充电时的涌流。电流限制可以按三种模式实现；自动重试、闩锁或连续模式。SETI 引脚上的电压与瞬时电流成正比，并可由模数转换器 (ADC) 读取。这些 IC 的工作温度范围为 -40 至 +125°C，并包括热关断功能，以防止温度超限。在预计出现高输入浪涌电流的应用中，可以使用一个可选的浪涌抑制器装置（图 6）。该系列有三个 IC：
· MAX17608 可针对过压、欠压和反向电压提供保护。
· MAX17609 可针对过压和欠压提供保护。
· MAX17610 可针对反向电压提供保护。
图 6：MAX17608 和 MAX17609 保护 IC 的典型集成展示了适用于高输入浪涌应用的可选浪涌抑制器（左侧）。（图片来源：Maxim Integrated）
保护 IC 的评估套件
MAX17608EVKIT、MAX17609EVKIT 和 MAX17610EVKIT 使设计人员能够分别评估 MAX17608、MAX17609 和 MAX17910 的性能（图 7）。例如，MAX17608EVKIT 是一块完全组装且经过测试的电路板，适用于评估 MAX17608。它的额定电压为 4.5 至 60 V，额定电流为 1 A，具有欠压、过压、反压保护和正/反向电流限制功能。可以配置 MAX17608EVKIT 来展示可调节的欠压和过压保护功能、三种电流限制模式以及不同的电流限制阈值。
图 7：评估板（例如适用于 MAX17608 的 MAX17608EVKIT#）也适用于 MAX17609 和 MAX17610 保护 IC。（图片来源：Maxim Integrated）
PC 板布局指南
在布局 MAX1506x 和 MAX176xx 时，应遵守一些基本准则，以实现成功的设计。例如，对于 MAX1506x：
· 输入电容器应尽可能靠近 IN 和 GND 引脚。
· 输出电容器应尽可能靠近 OUT 和 GND 引脚。
· 反馈 (FB) 电阻分压器应尽可能靠近 FB 引脚。
· 使用较短的电源印制线和负载连接。
对于 MAX176xx：
· 尽可能地缩短所有印制线；这会最大限度减少任何寄生电感，并优化开关对输出短路的响应时间。
· 输入和输出电容器与该器件的距离不应超过 5 mm，越近越好。
· IN 和 OUT 引脚必须用短而宽的印制线连接到电源总线。
· 建议使用从裸焊盘到地平面的热过孔来改善热性能，特别是在连续电流限制模式下。
作为参考，图 8 显示了 MAXM17608 和 MAXM15062 以及它们各自在电源链中的位置。
图 8：典型的资产跟踪设备框图显示了 Maxim Integrated 的同步降压转换器和保护 IC 的位置。（图片来源：Maxim Integrated）
结论
如上所示，设计人员可以转而采用 MAX1506x 高效率同步降压模块和 MAX176xx 保护 IC，实现适用于车辆资产跟踪设备的完整电源和保护解决方案。在实现过程中遵循核心最佳实践，得到的解决方案具有高效率、紧凑和坚固耐用的特点，同时可最大限度减少制造风险和合规性问题。
