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來源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard 通過在商用車隊中實現車輛資產跟蹤以確保效率和效益，有助于化解現代物流和供應鏈所面臨的挑戰。但是，車輛資產跟蹤設備的設計人員需要在設計中解決設備穩健性、惡劣的電氣環境、高沖擊和高振動以及寬工作溫度范圍等諸多問題。與此同時，它們仍須在更小的外形尺寸和更寬的輸入電壓范圍（通常為 4.5 至 60 V 直流電壓）內滿足日益增長的性能、效率和保護要求。 鑒于設備的運行條件和資產價值，保護功能的重要性怎么強調都不為過。通常，它必須能夠針對過流、過壓、欠壓和反向電壓等狀況提供保護，確保設備能夠可靠地運行并支持高可用性。 從頭開始設計滿足這些運行要求所需的電源轉換和保護電路可能頗具挑戰性。雖然這樣做可以獲得充分優化的設計，但也可能導致延后上市時間、成本超支和合規性問題。反之，設計人員可以轉而采用現成即用的 DC/DC 轉換器電源模塊和保護 IC。 本文將回顧車輛資產跟蹤設備的電源要求，并概述這些設備的典型電源管理和保護架構。然后介紹來自 Maxim Integrated Products 的真實世界 DC/DC 轉換器模塊和保護 IC，設計人員可以在這類應用中使用。此外還提供了相關的評估板和印刷電路板（PC 板）布局指南。 車輛資產跟蹤器的電源要求 車輛電池是跟蹤設備的主電源，在消費類車輛中通常為 12 V 直流，在商用卡車中為 24 V 直流。資產跟蹤器作為售后配件出售，預計包括一個可充電的備用電池，足夠維持幾天的續航時間。此外，這些設備還需要防范車輛電源總線上的瞬態和故障狀況，它們通常采用降壓 DC/DC 轉換器和低壓差穩壓器 (LDO) 的組合來為系統元件供電（圖 1）。 
圖 1：典型資產跟蹤/車隊管理設備中的電源系統包括兩個或更多降壓 DC/DC 轉換器、一個 LDO 和一個保護 IC。（圖片來源：Maxim Integrated） 由于資產跟蹤設備是作為售后產品安裝的，所以必須盡可能地小，以適應可用空間。電源轉換元器件需要具備較高的效率，以憑借相對較小的電池實現更長的設備使用壽命和更久的備用時間。由于資產跟蹤設備通常置于密封外殼內，必須盡量減少內部發熱，以免對使用壽命和可靠性產生負面影響。因此，電源系統必須兼具小型化和高效率的最優組合。雖然 LDO 非常小巧，但它們并非最高效的選擇。 相反，設計人員可以轉而采用同步降壓 DC/DC 轉換器提供高轉換效率。例如，24 V 至 3.3 V 同步降壓轉換的典型效率為 72%，24 V 至 5 V 的轉換效率為 84%。使用同步 DC/DC 轉換器可減少散熱，有助于提高可靠性，并有機會使用體積更小的備用電池。需要克服的挑戰在于，設計一個緊湊型解決方案，提供這類應用所需的 60 V DC 最大額定輸入電壓。 同步降壓 IC 與集成模塊的比較 為實現小尺寸和高效率的設計目標，設計人員可以在基于同步 DC/DC 轉換器 IC 或基于集成式 DC/DC 轉換器模塊的解決方案之間進行選擇。典型的 300 mA 同步降壓 IC 解決方案需要一塊 2 mm2 的 IC、一個約 4 mm2 的電感器，加上其他若干無源元器件，共計占用 29.3 mm2 的 PC 板面積。另外，Maxim Integrated 的 Himalaya μSLIC 集成式同步降壓模塊也提供了一種解決方案，其外形縮小了 28%，僅占用 21 mm2 的 PC 板面積（圖 2）。
圖 2：與傳統的降壓轉換器實現（左圖）相比，Himalaya μSLIC 電源模塊解決方案（右圖）占用的板空間減少了 28%。（圖片來源：Maxim Integrated） 垂直集成 Himalaya μSLIC 電源模塊在垂直方向集成了電感器和降壓轉換器 IC，與典型的平面解決方案相比，大幅減小了 PC 板空間。μSLIC 模塊的額定工作電壓高達 60 V DC，工作溫度為 -40 至 +125℃。即使對于垂直集成，它們仍保持了扁平、緊湊的外形，并采用 10 針 2.6 x 3 x 1.5（高）mm 封裝（圖 3）。
圖 3：在 Himalaya μSLIC 電源模塊中，電感器垂直集成在 IC 上，以最大限度減小板空間。（圖片來源：Maxim Integrated） MAXM15062/MAXM15063/MAXM15064 高效率同步降壓模塊包括一個集成式控制器、MOSFET、補償元器件和一個電感器。它們只需要若干外部元器件就能實現完整的高效率 DC/DC 解決方案（圖 4）。這些模塊可以提供高達 300 mA 的電流，并在 4.5 至 60 V DC 輸入電壓范圍內工作。MAXM15064 的輸出電壓可在 0.9 至 5 V DC 范圍內調節，而 MAXM15062 和 MAXM15063 則分別具有 3.3 和 5 V DC 固定輸出電壓。
圖 4：MAXM15064 只需三個電容器和兩個電阻器就能構成完整的降壓轉換器解決方案。（圖片來源：Maxim Integrated） 這些模塊采用峰值電流模式控制架構，具有逐周期電流限制、固有短路保護和良好的瞬態響應等優點。它們有固定的 4.1 ms 軟啟動時間，以減少涌流。設計人員可以轉而采用這類高效率的降壓轉換器模塊，以簡化設計流程，降低制造風險，加快上市速度。 評估套件展示經驗證的設計 MAXM15064EVKIT# 評估套件提供了經驗證的設計來評估 MAXM15064 同步降壓模塊（圖 5）。它經過編程，可以為負載提供最高 300 mA 的 5 V 直流電。該套件具有可調節的輸入欠壓鎖定、開漏 RESET 信號，以及可選擇的脈沖寬度調制 (PWM) 或脈沖頻率調制 (PFM) 模式。PFM 模式可用于提供更高的輕載效率。它符合 CISPR22 (EN55022) B 類傳導和輻射規范，在 48 V DC 輸入下可提供 78.68% 的效率和 200 mA 輸出電流。
圖 5：MAXM15064EVKIT# 是適用于 MAXM15064 的 5 V DC 輸出評估套件，可提供高達 300 mA 的電流。（圖片來源：Maxim Integrated） 保護 IC 設計人員可以將 MAX176xx 可調節過壓和過流保護 IC 與 MAXM1506x 同步降壓模塊一起用于完整的系統解決方案。這些 IC 采用 12 針 TDFN-EP 封裝，適用于保護系統，避免在 -65 至 +60 V 范圍內出現負輸入電壓和正輸入電壓故障。它們有一個內部場效應晶體管 (FET)，其典型導通電阻 (RON) 僅為 260 mΩ。輸入過壓保護范圍可在 5.5 至 60 V 范圍內編程設定，而輸入欠壓保護范圍則可在 4.5 至 59 V 范圍內調整。外部電阻器用于設置輸入過壓鎖定 (OVLO) 和欠壓鎖定 (UVLO) 閾值。 電流限制保護可通過一個電阻器進行編程，最大不超過 1 A，以幫助控制在對大型輸出濾波電容器充電時的涌流。電流限制可以按三種模式實現；自動重試、閂鎖或連續模式。SETI 引腳上的電壓與瞬時電流成正比，并可由模數轉換器 (ADC) 讀取。這些 IC 的工作溫度范圍為 -40 至 +125°C，并包括熱關斷功能，以防止溫度超限。在預計出現高輸入浪涌電流的應用中，可以使用一個可選的浪涌抑制器裝置（圖 6）。該系列有三個 IC： · MAX17608 可針對過壓、欠壓和反向電壓提供保護。 · MAX17609 可針對過壓和欠壓提供保護。 · MAX17610 可針對反向電壓提供保護。
圖 6：MAX17608 和 MAX17609 保護 IC 的典型集成展示了適用于高輸入浪涌應用的可選浪涌抑制器（左側）。（圖片來源：Maxim Integrated） 保護 IC 的評估套件 MAX17608EVKIT、MAX17609EVKIT 和 MAX17610EVKIT 使設計人員能夠分別評估 MAX17608、MAX17609 和 MAX17910 的性能（圖 7）。例如，MAX17608EVKIT 是一塊完全組裝且經過測試的電路板，適用于評估 MAX17608。它的額定電壓為 4.5 至 60 V，額定電流為 1 A，具有欠壓、過壓、反壓保護和正/反向電流限制功能。可以配置 MAX17608EVKIT 來展示可調節的欠壓和過壓保護功能、三種電流限制模式以及不同的電流限制閾值。
圖 7：評估板（例如適用于 MAX17608 的 MAX17608EVKIT#）也適用于 MAX17609 和 MAX17610 保護 IC。（圖片來源：Maxim Integrated） PC 板布局指南 在布局 MAX1506x 和 MAX176xx 時，應遵守一些基本準則，以實現成功的設計。例如，對于 MAX1506x： · 輸入電容器應盡可能靠近 IN 和 GND 引腳。 · 輸出電容器應盡可能靠近 OUT 和 GND 引腳。 · 反饋 (FB) 電阻分壓器應盡可能靠近 FB 引腳。 · 使用較短的電源印制線和負載連接。 對于 MAX176xx： · 盡可能地縮短所有印制線；這會最大限度減少任何寄生電感，并優化開關對輸出短路的響應時間。 · 輸入和輸出電容器與該器件的距離不應超過 5 mm，越近越好。 · IN 和 OUT 引腳必須用短而寬的印制線連接到電源總線。 · 建議使用從裸焊盤到地平面的熱過孔來改善熱性能，特別是在連續電流限制模式下。 作為參考，圖 8 顯示了 MAXM17608 和 MAXM15062 以及它們各自在電源鏈中的位置。
圖 8：典型的資產跟蹤設備框圖顯示了 Maxim Integrated 的同步降壓轉換器和保護 IC 的位置。（圖片來源：Maxim Integrated） 結論 如上所示，設計人員可以轉而采用 MAX1506x 高效率同步降壓模塊和 MAX176xx 保護 IC，實現適用于車輛資產跟蹤設備的完整電源和保護解決方案。在實現過程中遵循核心最佳實踐，得到的解決方案具有高效率、緊湊和堅固耐用的特點，同時可最大限度減少制造風險和合規性問題。 |
