כיצד לספק כוח ולהגן על התקני מעקב נכסים ברכבים כדי להבטיח פעולה אמינה

ניתן לסייע באתגרי לוגיסטיקה ושרשרת אספקה מודרניים על ידי מימוש מעקב נכסים ברכבים על פני ציי רכב מסחריים כדי להבטיח יעילות ואפקטיביות. עם זאת, המתכננים של התקני מעקב נכסים ברכבים צריכים לתכנן עבור עמידות, סביבות חשמליות קשות, רמות גבוהות של זעזועים ורעידות ותחומי טמפרטורות פעולה רחבים. יחד עם זאת, הם עדיין חייבים לעמוד בדרישות הביצועים, הנצילות וההגנה הגדלות בגורמי צורה קטנים יותר עם תחומי מתחי כניסה רחבים יותר - בדרך כלל 4.5 עד 60 וולט זרם ישר (dc).

לא ניתן להפריז בחשיבות ההגנה, בהתחשב בתנאי הפעולה וערך הנכסים. זה חייב לכלול בדרך כלל הגנה על מצבי זרם-יתר, מתח-יתר, תת-מתח ומתח הפוך כדי להבטיח פעולה אמינה ולתמוך ברמות גבוהות של זמינות.

תכנון מעגלי המרת ההספק וההגנה הדרושים כדי להשיג את הדרישות התפעוליות הללו מאפס יכול להיות מאתגר. אמנם פעולה זו יכולה להוביל לתכן אופטימלי במלואו, אך היא גם עלולה להוביל לעיכוב בזמן היציאה לשוק, חריגות בעלויות ובעיות תאימות. במקום זאת, המתכננים יכולים לפנות אל מודולי הספק של ממירי DC/DC ו-ICs להגנה.

מאמר זה סוקר את דרישות הספקת-הכוח עבור התקני מעקב נכסים ברכבים ומתאר כיצד נראית ארכיטקטורת ניהול צריכת ההספק והגנה טיפוסית עבור התקנים אלה. לאחר מכן הוא מציג מודולי ממירי DC/DC ו-ICs להגנה של Maxim Integrated Products‏ שמתכננים יכולים להשתמש בהם ביישומים אלה. כמו כן מסופקות הנחיות לפריסת לוחות הערכה ומעגלים מודפסים (לוח PC).

דרישות הספקת-הכוח עבור עוקבי נכסים ברכבים

סוללת הרכב היא מקור הספקת-כוח העיקרי עבור התקני מעקב והיא בדרך כלל 12 וולט DC ברכבי צרכנים ו-24 וולט DC במשאיות מסחריות. עוקבי הנכסים נמכרים כאביזר שוק-לאחר-המכירה וצפויים לכלול סוללת גיבוי נטענת שהיא גדולה מספיק כדי להחזיק כמה ימים. בנוסף, התקנים אלה דורשים הגנה מפני מצבי טרנזיינטים ותקלות באפיק הספקת-הכוח של הרכב, והם בדרך כלל כוללים שילוב של ממירי DC/DC מורידי-מתח ומייצבים עם מפל-מתח נמוך (LDO) כדי להפעיל את רכיבי המערכת (איור 1) .

איור 1: מערכת הספקת-הכוח בהתקן טיפוסי למעקב אחר נכסים/ניהול ציים כוללת שניים או יותר ממירי DC/DC מורידי-מתח, LDO ו-IC הגנה. (מקור התמונה: Maxim Integrated)

מכיוון שהם מותקנים כפריט שוק-לאחר-המכירה, התקני מעקב נכסים חייבים להיות קטנים ככל האפשר כדי להתאים למקומות הזמינים בתוך הרכב. רכיבי המרת ההספק צריכים להיות יעילים ביותר כדי לאפשר חיי התקן ארוכים יותר וגיבוי ארוך יותר מסוללה קטנה יחסית. מכיוון שהתקני מעקב נכסים נמצאים בדרך כלל במארזים אטומים, חשוב להקטין למינימום את ייצור החום הפנימי העלול להשפיע לרעה על אורך החיים והאמינות. כתוצאה מכך, על מערכת הספקת-הכוח לספק שילוב מיטבי של מזעור ושל נצילות גבוהה. בעוד שמייצבי LDO הם קומפקטיים, הם לא האפשרות היעילה ביותר.

במקום זאת, המתכננים יכולים לפנות לממירי DC/DC סינכרוניים המספקים נצילויות המרה גבוהות. לדוגמה, נצילות של 72% היא ערך טיפוסי להמרה סינכרונית של 24 וולט ל-3.3 וולט, ונצילות של 84% להמרה של 24 וולט ל-5 וולט. השימוש בממירי DC/DC סינכרוניים מביא לפיזור תרמי נמוך יותר, תורם לאמינות גבוהה יותר ולהזדמנות להשתמש בסוללת גיבוי קטנה יותר. האתגר הוא תכנון פתרון קומפקטי עם דירוג הכניסה המרבי של 60 וולט DC הנדרש ביישומים אלה.

ICs‏ Buck‏ סינכרוניים לעומת מודולים משולבים

כדי להשיג את יעדי התכנון של גודל קטן ונצילות, המתכננים יכולים לבחור מתוך פתרונות המבוססים על ICs של ממירי DC/DC סינכרוניים או מודולים של ממירי DC/DC משולבים. פתרון IC‏ Buck‏ סינכרוני של ‎300 mA טיפוסי דורש IC של 2 מילימטר מרובע (מ"מ^2‏), משרן בגודל של כ-4 מ"מ^2‏, ובנוסף מספר רכיבים פסיביים אחרים, התופסים בסה"כ 29.3 מ"מ²‏ משטח לוח המעגלים המודפסים. לחלופין, מודולי Buck‏ סינכרוניים משולבים Himalaya μSLIC‏ של Maxim Integrated מספקים פתרון הקטן ב-28% ותופס רק 21 מ"מ^2‏ משטח לוח המעגלים המודפסים (איור 2).

איור 2: בהשוואה למימוש קונבנציונלי של ממיר Buck (משמאל), פתרון מודול הספקת-כוח Himalaya μSLIC (מימין) תופס 28% פחות מקום בלוח. (מקור התמונה: Maxim Integrated)

הולכים אנכית

מודולי הספקת-הכוח Himalaya μSLIC‏ משלבים בצורה אנכית את המשרן ואת ה-IC של ממיר Buck, כשהתוצאה היא הפחתה משמעותית בשטח לוח ה-PC בהשוואה לפתרונות פלאנאריים טיפוסיים. מודולי μSLIC‏ מדורגים לפעולה עם כניסת DC של עד 60 וולט, ומ-C‏ִ°‏40‏- עד C‏ִ°‏125‏+. אפילו עם אינטגרציה אנכית, הם עדיין בעלי פרופיל נמוך וקומפקטי במארז של ‎2.6 x 3 x 1.5‏ מ"מ עם 10 פינים (איור 3).

איור 3: במודול הספקת-הכוח Himalaya μSLIC‏ המשרן משולב אנכית על גבי ה-IC כדי למזער את שטח הלוח. (מקור התמונה: Maxim Integrated)

מודולי Buck‏ סינכרוני עם נצילות גבוהה MAXM15062‏ / MAXM15063‏ / MAXM15064‏ כוללים בקר משולב, MOSFETs, רכיבי קיזוז ומשרן. הם דורשים רק מעט רכיבים חיצוניים כדי להשלים מימוש של פתרון DC/DC מלא עם נצילות גבוהה (איור 4). מודולים אלה יכולים לספק עד ‎300 mA ולפעול בתחום מתחי כניסה של 4.5 עד 60 וולט DC. ל-MAXM15064 יש יציאה מתכווננת בין 0.9 ל-5 וולט DC, בעוד של-MAXM15062 ול-MAXM15063 יש יציאות קבועות של 3.3 ו-5 וולט DC, בהתאמה.

איור 4: ה-MAXM15064 דורש רק שלושה קבלים ושני נגדים כדי ליצור פתרון ממיר Buck‏ שלם. (מקור התמונה: Maxim Integrated)

למודולים אלו יש ארכיטקטורת בקרת אופן-זרם-שיא המציעה את היתרונות של הגבלת זרם מחזור-אחר-מחזור, הגנת קצר אינהרנטית והיענות טרנזיינטים טובה. יש להם זמן אתחול-רך קבוע של 4.1 מילי-שניות (ms) כדי להפחית זרמי התנעה. המתכננים יכולים לפנות למודולי ממיר Buck‏ יעילים אלו כדי לייעל את תהליך התכנון, להפחית את סיכוני הייצור ולהאיץ את זמן היציאה לשוק.

ערכות הערכה מציגות תכנים מוכחים

ערכת ההערכה #MAXM15064EVKIT‏ מספקת תכן מוכח להערכת מודול Buck‏ סינכרוני MAXM15064 (איור 5). הוא מתוכנת לספק 5 וולט DC עבור עומסים של עד ‎300 mA. הוא כולל נעילת תת-מתח מתכווננת, אות RESET מרזב-פתוח (OD) ואופן רוחב פולס (PWM) או אפנון תדר פולס (PFM) ניתן-לבחירה. ניתן להשתמש באופן PFM כדי לספק נצילות גבוהה יותר בעומס קל. הוא תואם לפליטות מוליכות ומוקרנות CISPR22‏ (EN55022‏) Class B‏ ומספק נצילות של 78.68% עם כניסת DC של 48 וולט ויציאה של ‎200 mA.

איור 5: ה-#MAXM15064EVKIT הוא ערכת הערכה של יציאת 5 וולט DC עבור MAXM15064 היכולה לספק עד ‎300 mA. (מקור התמונה: Maxim Integrated)

ICs להגנה

המתכננים יכולים להשתמש ב-ICs להגנת מתח-יתר וזרם-יתר ניתנים-לכוונון MAX176xx ביחד עם מודולי Buck‏ סינכרוניים MAXM1506x עבור פתרון מערכת שלם. ICs אלה נתונים במארז TDFN-EP עם 12 פינים והם מתוכננים להגן על מערכות מפני תקלות מתח כניסה שלילי וחיובי מ-65- עד 60+ וולט. יש להם טרנזיסטור אפקט שדה (FET) פנימי עם התנגדות מצב-מופעל טיפוסית (_ON‏R‏) של 260 מילי-אוהם (mΩ) בלבד. תחום הגנת מתח-יתר בכניסה ניתן לתכנות מ-5.5 עד 60 וולט, בעוד שתחום הגנת תת-מתח הכניסה מתכוונן מ-4.5 עד 59 וולט. נגדים חיצוניים משמשים להגדרת ספי נעילת מתח-יתר (OVLO) ונעילת תת-מתח (UVLO).

הגנת גבול זרם ניתנת לתכנות עם נגד של עד 1 אמפר (A) כדי לסייע בבקרת זרמי התנעה בעת טעינת קבלי מסנן יציאה גדולים. ניתן לממש את גבול הזרם בשלושה אופנים; ניסיון חוזר אוטומטי, נעילה או מתמיד. המתח על פין SETI הוא פרופורציונלי לזרם הרגעי וניתן לקרוא אותו על ידי ממיר אנלוגי-לדיגיטלי (ADC). ל-ICs אלו יש תחום טמפרטורות פעולה של C‏ִ°‏40‏- עד C‏ִ°‏125‏+ וכולל כיבוי תרמי להגנה מפני טמפרטורות חריגות. ניתן להשתמש בהתקן שיכוך נחשולי מתח אופציונלי ביישומים הצופים זרמי נחשולי כניסה גבוהים (איור 6). ישנם שלושה ICs במשפחה:

• ה-MAX17608 מגן מפני מתח-יתר, תת-מתח ומתח הפוך.
• ה-MAX17609 מגן מפני מתח-יתר ותת-מתח.
• ה-MAX17610 מגן מפני מתח הפוך.

איור 6: אינטגרציה טיפוסית של ה-ICs להגנה MAX17608 ו-MAX17609 המציגה את משכך הנחשולים האופציונלי (משמאל) עבור יישומי נחשולי מתח גבוה. (מקור התמונה: Maxim Integrated)

ערכות הערכה עבור ICs להגנה

ה-MAX17608EVKIT, ה-MAX17609EVKIT וה-MAX17610EVKIT מאפשרים למתכננים להעריך את הביצועים של ה-MAX17608, MAX17609 ו-MAX17910, בהתאמה (איור 7). לדוגמה, ה-MAX17608EVKIT הוא לוח מעגלים מורכב ובדוק במלואו להערכת ה-MAX17608. הוא מדורג ל-4.5 עד 60 וולט ו-1‎ A, עם הגנות תת-מתח, מתח-יתר, מתח הפוך וגבול זרם קדימה/הפוך. ניתן להגדיר את ה-MAX17608EVKIT כדי להדגים הגנת תת-מתח ומתח-יתר ניתנת-לכוונון, שלושה אופני גבול זרם וספי גבול זרם שונים.

איור 7: לוחות הערכה כגון #MAX17608EVKIT עבור MAX17608, זמינים גם עבור ICs להגנה MAX17609 ו-MAX17610. (מקור התמונה: Maxim Integrated)

הנחיות פריסת לוח PC

בעת פריסת ה-MAX1506x ו-MAX176xx, יש להקפיד על כמה הנחיות בסיסיות עבור תכן מוצלח. לדוגמה, עבור ה-MAX1506x:

• קבלי כניסה צריכים להיות קרובים ככל האפשר לפינים IN ו-GND.
• קבל היציאה צריך להיות קרוב ככל האפשר לפינים OUT ו-GND.
• מחלקי נגדי המשוב (FB) צריכים להיות קרובים ככל האפשר לפין FB.
• השתמשו בפסים מוליכים קצרים עבור חיבורי הספקת-הכוח והעומס.

עבור ה-MAX176xx:

• שמרו את כל הפסים המוליכים קצרים ככל האפשר; זה מקטין למינימום כל השראות טפיליות וממטב את זמן התגובה של המתג לקצר ביציאה.
• קבלי כניסה ויציאה צריכים להיות במרחק של לא יותר מ-5 מ"מ מההתקן; ככל שקרוב יותר, כך טוב יותר.
• הפינים IN ו-OUT חייבים להיות מחוברים לאפיק הספקת-הכוח עם פסים מוליכים קצרים ורחבים.
• מומלץ להשתמש במעברים (Vias‏) תרמיים מהפדים החשופים אל משטח ההארקה כדי לשפר את הביצועים התרמיים, במיוחד עבור אופן גבול זרם רצוף.

כייחוס, איור 8 מציג גם את ה-MAXM17608 וגם את ה-MAXM15062 ואת מיקומם בהתאמה בשרשרת הספקת-הכוח.

איור 8: דיאגרמת בלוקים טיפוסית של התקני מעקב נכסים מראה היכן ממירי Buck‏ סינכרוני ו-ICs להגנה של Maxim Integrated‏ מתאימים. (מקור התמונה: Maxim Integrated)

סיכום

כפי שהוצג, המתכננים יכולים לפנות למודולי Buck‏ סינכרוני בעלי נצילות גבוהה MAX1506x ול-ICs להגנה MAX176xx כדי לממש פתרון הספקת-כוח והגנה שלמים עבור התקני מעקב נכסים ברכבים. בעקבות פרקטיקות הליבה הטובות ביותר במהלך המימוש, הפתרון המתקבל יכול להיות יעיל, קומפקטי וחסון, תוך הקטנה למינימום של סיכוני ייצור ובעיות תאימות.

קריאה מומלצת

1. השימוש בסלולר וב-SiP‏ GPS כדי לממש במהירות מעקב נכסים עבור חקלאות וערים חכמות
2. תכנון מערכות מעקב אחר מיקום במהירות באמצעות מודולי GNSS
3. כיצד לממש במהירות מערכת מיקום באמצעות מודולי GNSS‏ רבי-מערכים (Multi-Constellation‏)