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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

發(fā)布時間:2023-11-11 來源:ADI 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】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(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 μA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 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。


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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(jì)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。


參考資料


MAX38640 ADI公司 

MAX38641 ADI公司 

MAX38642 ADI公司 

MAX38643 ADI公司


關(guān)于ADI公司


Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司,致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁,以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案,推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展,應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn),并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過120億美元,全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶,ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息,請?jiān)L問www.analog.com/cn。


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(dān)任工程應(yīng)用、營銷、業(yè)務(wù)運(yùn)營等多個職位,推動通信、計(jì)算、消費(fèi)電子、汽車和工業(yè)市場發(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16年的DC/DC開關(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。


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)



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