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來源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard 通過在商用車隊(duì)中實(shí)現(xiàn)車輛資產(chǎn)跟蹤以確保效率和效益，有助于化解現(xiàn)代物流和供應(yīng)鏈所面臨的挑戰(zhàn)。但是，車輛資產(chǎn)跟蹤設(shè)備的設(shè)計(jì)人員需要在設(shè)計(jì)中解決設(shè)備穩(wěn)健性、惡劣的電氣環(huán)境、高沖擊和高振動(dòng)以及寬工作溫度范圍等諸多問題。與此同時(shí)，它們?nèi)皂氃诟〉耐庑纬叽绾透鼘挼妮斎?a href="http://m.qingdxww.cn/keyword/電壓" target="_blank" class="relatedlink">電壓范圍（通常為 4.5 至 60 V 直流電壓）內(nèi)滿足日益增長的性能、效率和保護(hù)要求。 鑒于設(shè)備的運(yùn)行條件和資產(chǎn)價(jià)值，保護(hù)功能的重要性怎么強(qiáng)調(diào)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(hù)，確保設(shè)備能夠可靠地運(yùn)行并支持高可用性。 從頭開始設(shè)計(jì)滿足這些運(yùn)行要求所需的電源轉(zhuǎn)換和保護(hù)電路可能頗具挑戰(zhàn)性。雖然這樣做可以獲得充分優(yōu)化的設(shè)計(jì)，但也可能導(dǎo)致延后上市時(shí)間、成本超支和合規(guī)性問題。反之，設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)而采用現(xiàn)成即用的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器電源模塊和保護(hù) IC。 本文將回顧車輛資產(chǎn)跟蹤設(shè)備的電源要求，并概述這些設(shè)備的典型電源管理和保護(hù)架構(gòu)。然后介紹來自 Maxim Integrated Products 的真實(shí)世界 DC/DC 轉(zhuǎn)換器模塊和保護(hù) IC，設(shè)計(jì)人員可以在這類應(yīng)用中使用。此外還提供了相關(guān)的評(píng)估板和印刷電路板（PC 板）布局指南。 車輛資產(chǎn)跟蹤器的電源要求 車輛電池是跟蹤設(shè)備的主電源，在消費(fèi)類車輛中通常為 12 V 直流，在商用卡車中為 24 V 直流。資產(chǎn)跟蹤器作為售后配件出售，預(yù)計(jì)包括一個(gè)可充電的備用電池，足夠維持幾天的續(xù)航時(shí)間。此外，這些設(shè)備還需要防范車輛電源總線上的瞬態(tài)和故障狀況，它們通常采用降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和低壓差穩(wěn)壓器 (LDO) 的組合來為系統(tǒng)元件供電（圖 1）。 
圖 1：典型資產(chǎn)跟蹤/車隊(duì)管理設(shè)備中的電源系統(tǒng)包括兩個(gè)或更多降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器、一個(gè) LDO 和一個(gè)保護(hù) IC。（圖片來源：Maxim Integrated） 由于資產(chǎn)跟蹤設(shè)備是作為售后產(chǎn)品安裝的，所以必須盡可能地小，以適應(yīng)可用空間。電源轉(zhuǎn)換元器件需要具備較高的效率，以憑借相對較小的電池實(shí)現(xiàn)更長的設(shè)備使用壽命和更久的備用時(shí)間。由于資產(chǎn)跟蹤設(shè)備通常置于密封外殼內(nèi)，必須盡量減少內(nèi)部發(fā)熱，以免對使用壽命和可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，電源系統(tǒng)必須兼具小型化和高效率的最優(yōu)組合。雖然 LDO 非常小巧，但它們并非最高效的選擇。 相反，設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)而采用同步降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供高轉(zhuǎn)換效率。例如，24 V 至 3.3 V 同步降壓轉(zhuǎn)換的典型效率為 72%，24 V 至 5 V 的轉(zhuǎn)換效率為 84%。使用同步 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可減少散熱，有助于提高可靠性，并有機(jī)會(huì)使用體積更小的備用電池。需要克服的挑戰(zhàn)在于，設(shè)計(jì)一個(gè)緊湊型解決方案，提供這類應(yīng)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(shí)現(xiàn)小尺寸和高效率的設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)人員可以在基于同步 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 IC 或基于集成式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器模塊的解決方案之間進(jìn)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(gè)約 4 mm2 的電感器，加上其他若干無源元器件，共計(jì)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(tǒng)的降壓轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)（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(zhuǎn)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(dá) 60 V DC，工作溫度為 -40 至 +125℃。即使對于垂直集成，它們?nèi)员３至吮馄健⒕o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(gè)集成式控制器、MOSFET、補(bǔ)償元器件和一個(gè)電感器。它們只需要若干外部元器件就能實(shí)現(xiàn)完整的高效率 DC/DC 解決方案（圖 4）。這些模塊可以提供高達(dá) 300 mA 的電流，并在 4.5 至 60 V DC 輸入電壓范圍內(nèi)工作。MAXM15064 的輸出電壓可在 0.9 至 5 V DC 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，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(gè)電容器和兩個(gè)電阻器就能構(gòu)成完整的降壓轉(zhuǎn)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(gòu)，具有逐周期電流限制、固有短路保護(hù)和良好的瞬態(tài)響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。它們有固定的 4.1 ms 軟啟動(dòng)時(shí)間，以減少涌流。設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)而采用這類高效率的降壓轉(zhuǎn)換器模塊，以簡化設(shè)計(jì)流程，降低制造風(fēng)險(xiǎn)，加快上市速度。 評(píng)估套件展示經(jīng)驗(yàn)證的設(shè)計(jì) MAXM15064EVKIT# 評(píng)估套件提供了經(jīng)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)來評(píng)估 MAXM15064 同步降壓模塊（圖 5）。它經(jīng)過編程，可以為負(fù)載提供最高 300 mA 的 5 V 直流電。該套件具有可調(diào)節(jié)的輸入欠壓鎖定、開漏 RESET 信號(hào)，以及可選擇的脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 或脈沖頻率調(diào)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(dǎo)和輻射規(guī)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(píng)估套件，可提供高達(dá) 300 mA 的電流。（圖片來源：Maxim Integrated） 保護(hù) IC 設(shè)計(jì)人員可以將 MAX176xx 可調(diào)節(jié)過壓和過流保護(hù) IC 與 MAXM1506x 同步降壓模塊一起用于完整的系統(tǒng)解決方案。這些 IC 采用 12 針 TDFN-EP 封裝，適用于保護(hù)系統(tǒng)，避免在 -65 至 +60 V 范圍內(nèi)出現(xiàn)負(fù)輸入電壓和正輸入電壓故障。它們有一個(gè)內(nèi)部場效應(yīng)晶體管 (FET)，其典型導(dǎo)通電阻 (RON) 僅為 260 mΩ。輸入過壓保護(hù)范圍可在 5.5 至 60 V 范圍內(nèi)編程設(shè)定，而輸入欠壓保護(hù)范圍則可在 4.5 至 59 V 范圍內(nèi)調(diào)整。外部電阻器用于設(shè)置輸入過壓鎖定 (OVLO) 和欠壓鎖定 (UVLO) 閾值。 電流限制保護(hù)可通過一個(gè)電阻器進(jìn)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(shí)的涌流。電流限制可以按三種模式實(shí)現(xiàn)；自動(dòng)重試、閂鎖或連續(xù)模式。SETI 引腳上的電壓與瞬時(shí)電流成正比，并可由模數(shù)轉(zhuǎn)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(guān)斷功能，以防止溫度超限。在預(yù)計(jì)出現(xiàn)高輸入浪涌電流的應(yīng)用中，可以使用一個(gè)可選的浪涌抑制器裝置（圖 6）。該系列有三個(gè) IC： · MAX17608 可針對過壓、欠壓和反向電壓提供保護(hù)。 · MAX17609 可針對過壓和欠壓提供保護(hù)。 · MAX17610 可針對反向電壓提供保護(hù)。
圖 6：MAX17608 和 MAX17609 保護(hù) IC 的典型集成展示了適用于高輸入浪涌應(yīng)用的可選浪涌抑制器（左側(cè)）。（圖片來源：Maxim Integrated） 保護(hù) IC 的評(píng)估套件 MAX17608EVKIT、MAX17609EVKIT 和 MAX17610EVKIT 使設(shè)計(jì)人員能夠分別評(píng)估 MAX17608、MAX17609 和 MAX17910 的性能（圖 7）。例如，MAX17608EVKIT 是一塊完全組裝且經(jīng)過測試的電路板，適用于評(píng)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(hù)和正/反向電流限制功能。可以配置 MAX17608EVKIT 來展示可調(diào)節(jié)的欠壓和過壓保護(hù)功能、三種電流限制模式以及不同的電流限制閾值。
圖 7：評(píng)估板（例如適用于 MAX17608 的 MAX17608EVKIT#）也適用于 MAX17609 和 MAX17610 保護(hù) IC。（圖片來源：Maxim Integrated） PC 板布局指南 在布局 MAX1506x 和 MAX176xx 時(shí)，應(yīng)遵守一些基本準(zhǔn)則，以實(shí)現(xiàn)成功的設(shè)計(jì)。例如，對于 MAX1506x： · 輸入電容器應(yīng)盡可能靠近 IN 和 GND 引腳。 · 輸出電容器應(yīng)盡可能靠近 OUT 和 GND 引腳。 · 反饋 (FB) 電阻分壓器應(yīng)盡可能靠近 FB 引腳。 · 使用較短的電源印制線和負(fù)載連接。 對于 MAX176xx： · 盡可能地縮短所有印制線；這會(huì)最大限度減少任何寄生電感，并優(yōu)化開關(guān)對輸出短路的響應(yīng)時(shí)間。 · 輸入和輸出電容器與該器件的距離不應(yīng)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(xù)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(chǎn)跟蹤設(shè)備框圖顯示了 Maxim Integrated 的同步降壓轉(zhuǎn)換器和保護(hù) IC 的位置。（圖片來源：Maxim Integrated） 結(jié)論 如上所示，設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)而采用 MAX1506x 高效率同步降壓模塊和 MAX176xx 保護(hù) IC，實(shí)現(xiàn)適用于車輛資產(chǎn)跟蹤設(shè)備的完整電源和保護(hù)解決方案。在實(shí)現(xiàn)過程中遵循核心最佳實(shí)踐，得到的解決方案具有高效率、緊湊和堅(jiān)固耐用的特點(diǎn)，同時(shí)可最大限度減少制造風(fēng)險(xiǎn)和合規(guī)性問題。 |
