助力小型資產(chǎn)跟蹤器實現(xiàn)更長時間續(xù)航
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摘要
在典型應用中，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數(shù)年。根據(jù)具體的應用，資產(chǎn)跟蹤應用可能需要部署多個跟蹤器設(shè)備。相應的，這些資產(chǎn)跟蹤器設(shè)備必須小巧、便攜，且經(jīng)濟高效。
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。
圖1 實時GPS跟蹤
資產(chǎn)跟蹤網(wǎng)絡(luò)
新一代信標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，能夠?qū)崿F(xiàn)長達幾年的電池續(xù)航時間（表1）。
表1 網(wǎng)絡(luò)特點
NB-IoT 窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT) | LTE-M LTE-M | Units 單位 | |
Bandwidth 帶寬 | 180 180 | 1400 1400 | kHz kHz |
Peak Data Rate 峰值數(shù)據(jù)速率 | 100 100 | 384 384 | kbps kbps |
U/D Link Speed 上行/下行鏈路速度 | 62.5 62.5 | 1000 1000 | Mbps Mbps |
Latency 延遲 | 10 10 | 100 100 | ms ms |
Battery Life 電池壽命 | >10 >10 | 10 10 | Years 年 |
Voice 語音 | No 否 | Yes 是 |
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。
圖2 資產(chǎn)跟蹤器框圖
對于要求較高的資產(chǎn)跟蹤應用，該系統(tǒng)必須使用三節(jié)堿性電池持續(xù)運行一年，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，電流可能會高一些，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
為實現(xiàn)高性能，需要小心謹慎地選擇每個模塊，以確保功耗盡可能低。降壓穩(wěn)壓器必須在100 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，因為設(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：
(1)
如果未恰當選擇降壓轉(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：
(2)
降壓轉(zhuǎn)換器最終效率：
(3)
3 μA靜態(tài)電流會導致降壓轉(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，因為系統(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175 mA負載電流，峰值效率高達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。
圖4 集成式降壓轉(zhuǎn)換器
小尺寸
Nanopower降壓轉(zhuǎn)換器應用的占地面積如圖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。
圖5 資產(chǎn)跟蹤器降壓轉(zhuǎn)換器應用(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。在高負載下同步整流，在輕負載下進行脈沖操作，超輕負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87.5%，在100 mA下的工作效率高達92%，因此非常適合資產(chǎn)跟蹤應用。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。
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)運行幾周到幾年。針對此類應用，需要謹慎選擇每個模塊，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)，負責電源和數(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隊共同管理定義、產(chǎn)品開發(fā)、營銷和業(yè)務(wù)開發(fā)。在加入ADI之前，Anil先后在Xilinx和MIPS Technologies擔任工程應用、營銷、業(yè)務(wù)運營等多個職位，推動通信、計算、消費電子、汽車和工業(yè)市場發(fā)展。他擁有肯塔基大學和奧斯馬尼亞大學的電氣工程碩士和學士學位，且在該領(lǐng)域擁有多項專利，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)域擁有多項專利。Reno擁有意大利都靈理工大學電氣工程博士學位。
Simo Radovic是ADI公司先進消費電子電源團隊的電源產(chǎn)品應用總監(jiān)。他擁有超過16年的DC/DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器工作經(jīng)驗。Simo擁有圣何塞州立大學電氣工程碩士學位。
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