A járműkövető eszközök áramellátása és védelme a megbízható működés biztosítása érdekében

A modern logisztikai és ellátási lánc jelentette kihívásokon segíthet a haszongépjármű-flottákban a járműkövetés bevezetése a hatékonyság és eredményesség biztosítása érdekében. A járműkövető eszközök tervezőinek azonban strapabíró, a zord villamos környezetet elviselő, nagymértékben ütés- és rezgésálló, valamint széles üzemi hőmérséklet-tartományban működőképes készülékeket kell tervezniük. Ezzel egyidejűleg a teljesítményre, a hatásfokra és és a védelemre vonatkozó egyre magasabb követelményeknek kell megfelelniük kisebb méretben és nagyobb bemenőfeszültség-tartomány mellett – ez utóbbi jellemzően 4,5 V és 60 V közötti egyenfeszültség.

A védelem fontosságát nem lehet eléggé hangsúlyozni, figyelembe véve az üzemi körülményeket és az eszközök értékét. A védelemnek a megbízható működés biztosítása és a magas szintű rendelkezésre állás támogatása érdekében jellemzően ki kell terjednie a túláram, a túlfeszültség, a feszültségesés és a fordított polaritás elleni védelemre.

A működési követelmények teljesítéséhez szükséges áramátalakító és védőáramkörök nulláról való megtervezése komoly feladatot jelenthet. Ez ugyan teljesen optimalizált tervezést eredményezhet, de késleltetheti a piacra kerülést, valamint költségtúllépést és az előírásoknak való megfeleléssel kapcsolatos problémákat is okozhat. Ehelyett a tervezők használhatnak készen kapható egyenáram-átalakítós tápegységeket és védelmi IC-ket.

Ez a cikk áttekinti a járműkövető eszközök áramellátási követelményeit, és felvázolja, hogy hogyan néz ki az ilyen eszközök jellegzetes energiagazdálkodási és védelmi felépítése. Ezután bemutatja a Maxim Integrated Products egyenáram-átalakító moduljait és védelmi IC-it, amelyeket a tervezők használhatnak ezekben a készülékekben. A cikkben megtalálhatók a kapcsolódó fejlesztőkártyák, valamint a nyomtatott áramköri lapok (nyák lapok) elrendezési útmutatója is.

A járműkövető eszköz energiaigénye

A járműkövető eszközök elsődleges áramforrása a jármű akkumulátora, amely a kisebb gépkocsikban általában 12 V egyenfeszültségű, és 24 V egyenfeszültségű a teherautókban. A járműkövető eszközök utólag megvásárolható tartozékként szerezhetők be, és az az elvárás velük szemben, hogy tartalmazzanak egy segédakkumulátort, amely elég nagy ahhoz, hogy néhány napig kitartson. Ezen túlmenően ezek az eszközök védelmet igényelnek a jármű tápsínjén fellépő feszültséglökések és egyéb hibák ellen, és általában feszültségcsökkentő egyenáram-átalakítók és kis feszültségkülönbségű (LDO) feszültségszabályozók kombinációját tartalmazzák tápegységként, így látva el árammal a rendszer részegységeit (1. ábra).

1. ábra: A járműkövető/flottafelügyeleti eszközök jellegzetes áramellátó rendszere tartalmaz két vagy több feszültségcsökkentő egyenáram-átalakítót, egy kis feszültségkülönbségű (LDO) feszültségszabályozót és egy védelmi IC-t (kép: Maxim Integrated)

Mivel ezek utólag beszerelt készülékek, a járműkövető eszközöknek a lehető legkisebbeknek kell lenniük, hogy elférjenek a rendelkezésre álló helyen. Az áramátalakító alkatrészeknek jó hatásfokúaknak kell lenniük, hogy hosszabb legyen az eszköz üzemideje, és viszonylag kis akkumulátorról hosszabb ideig lehessen táplálni az eszközt. Mivel a járműkövető eszközök általában zárt házban vannak, fontos, hogy minimálisra legyen csökkentve a belső hőtermelés, amely negatívan befolyásolhatja az üzemidőt és a megbízhatóságot. Ennek eredményeképpen a tápegységnek a kis méretek és a jó hatásfok optimális kombinációját kell nyújtania. Bár a kis feszültségkülönbségű (LDO) feszültségszabályozók kis méretűek, nem számítanak a legjobb hatásfokú megoldásnak.

A tervezők használhatnak helyettük szinkron egyenáram-átalakítókat, amelyek jó átalakítási hatásfokot kínálnak. Például a 24 V-ról 3,3 V-ra történő szinkron feszültségcsökkentő átalakítás esetében a jellegzetes hatásfok 72%, míg a 24 V-ról 5 V-ra történő átalakításé 84%. A szinkron egyenáram-átalakítók használata alacsonyabb hőtermelést eredményez, ami elősegíti a nagyobb megbízhatóságot, és lehetővé teszi kisebb méretű segédakkumulátor használatát. A kihívást az jelenti, hogy kis méretű eszközt kell tervezni az ilyen készülékekhez szükséges maximum 60 V-os bemeneti egyenfeszültséggel.

Szinkron feszültségcsökkentő IC-k vagy integrált áramkörös modulok

A kis méretre és a jó hatásfokra vonatkozó tervezési célok eléréséhez a tervezők a szinkron egyenáram-átalakító IC-k köré épülő áramkörök és az integrált áramkörös egyenáram-átalakító modulok közül választhatnak. Egy jellegzetes 300 mA-es kimenőáramú szinkron feszültségcsökkentő IC-s áramkörhöz egy 2 mm² méretű IC-re, egy kb. 4 mm²-es induktorra, valamint néhány egyéb passzív alkatrészre van szükség, amelyek összesen 29,3 mm² területet foglalnak el a nyomtatott áramköri lapon. A Maxim Integrated alternatív megoldásként használható Himalaya μSLIC integrált áramkörös szinkron feszültségcsökkentő moduljai 28%-kal kisebb, mindössze 21 mm²-nyi területet foglalnak el a nyomtatott áramköri lapon (2. ábra).

2. ábra: A hagyományos feszültségcsökkentő áramátalakító áramkörhöz (balra) képest a Himalaya μSLIC áramátalakító modul (jobbra) 28%-kal kisebb helyet foglal a nyomtatott áramköri lapon (kép: Maxim Integrated)

Terjeszkedés függőlegesen

A Himalaya μSLIC áramátalakító modulokban függőleges irányban van beépítve az induktivitás és a feszültségcsökkentő áramátalakító IC, ami a szokványos síkbeli megoldásokhoz képest jelentős helycsökkenést eredményez a nyomtatott áramköri lapon. A μSLIC modulok 60 V bemenő egyenfeszültségig használhatók, -40 °C és +125 °C közötti hőmérsékleten. Az alkotóelemek függőleges elrendezése ellenére is laposak és kis méretűek, 10 lábas, 2,6 mm × 3 mm × 1,5 mm méretű házban kaphatóak (3. ábra).

3. ábra: A Himalaya μSLIC áramátalakító modulban az induktor függőlegesen van beépítve az IC-be, minimálisra csökkentve ezzel a nyomtatott áramköri lapon elfoglalt helyet (kép: Maxim Integrated)

A MAXM15062/MAXM15063/MAXM15064 jó hatásfokú szinkron feszültségcsökkentő áramátalakító modulok beépített vezérlőegységet, MOSFET-eket, kiegyenlítésre szolgáló alkatrészeket és egy induktort tartalmaznak. Használatukkal mindössze néhány külső alkatrészre van szükség egy jó hatásfokú egyenáram-átalakító eszköz létrehozásához (4. ábra). Ezek a modulok akár 300 mA-t is képesek leadni, és 4,5 V és 60 V közötti bemenő egyenfeszültség-tartományban használhatóak. A MAXM15064 kimenete 0,9 V és 5 V egyenfeszültség között állítható, míg a MAXM15062 és a MAXM15063 kimenete állandó 3,3 V, illetve 5 V egyenfeszültség.

4. ábra: A MAXM15064 esetében mindössze három kondenzátorra és két ellenállásra van szükség egy teljes feszültségcsökkentő áramátalakító létrehozásához (kép: Maxim Integrated)

Ezek a modulok el vannak látva csúcsáram-szabályozó áramkörrel, amely a ciklusonkénti áramkorlátozás, a beépített rövidzárvédelem és a feszültséglökésekre való jó reagálás előnyeit kínálja. A bekapcsolási túláramok csökkentésére állandó 4,1 ms-es lágyindítási idővel rendelkeznek. A tervezők a tervezési folyamat egyszerűsítése, a gyártási kockázatok csökkentése és a piacra kerülés felgyorsítása érdekében használhatják ezeket a jó hatásfokú feszültségcsökkentő áramátalakító modulokat.

A fejlesztőkártyák bevált konstrukciókat szemléltetnek

A MAXM15064EVKIT# fejlesztőkártya egy bevált konstrukciót kínál a MAXM15064 szinkron feszültségcsökkentő áramátalakító modul értékeléséhez (5. ábra). Úgy van beállítva, hogy 5 V egyenfeszültséget szolgáltasson legfeljebb 300 mA-es terheléshez. El van látva – állítható – bemeneti feszültségesés esetén történő reteszeléssel, nyílt nyelőjű RESET (visszaállító) jellel, és választhatóan használható impulzusszélesség-modulációs (PWM) vagy impulzusfrekvencia-modulációs (PFM) üzemmóddal. A PFM üzemmód kis terhelések esetén használható a jobb hatásfok eléréséhez. A kártya megfelel a B osztályú vezetett és sugárzott jelkibocsátásra vonatkozó CISPR22- (EN55022-) előírásoknak, és 78,68%-os hatásfokot kínál 48 V egyenfeszültségű bemenettel és 200 mA kimenettel.

5. ábra: Az akár 300 mA leadására is képes MAXM15064 áramátalakítóhoz használható, 5 V egyenfeszültségű kimenetű MAXM15064EVKIT# fejlesztőkártya (kép: Maxim Integrated)

Védelmi IC-k

A tervezők a MAXM1506x szinkron feszültségcsökkentő áramátalakító modulok mellé használhatják a MAX176xx állítható túlfeszültség- és túláramvédő IC-ket teljes rendszermegoldások kialakításához. Ezek az IC-k 12 lábú TDFN-EP tokban kaphatóak, és úgy vannak tervezve, hogy –65 V és +60 V közötti negatív és pozitív bemenőfeszültség-hibáktól védjék a rendszereket. Egy belső térvezérelt tranzisztort (FET) tartalmaznak, amelynek a jellegzetes nyitóirányú ellenállása (R_ON) mindössze 260 mΩ. A bemeneti túlfeszültség-védelmi tartomány 5,5 V és 60 V között, míg a bemeneti feszültségesés-védelmi tartomány 4,5 V és 59 V között állítható. A bemeneti túlfeszültség miatti reteszelés (OVLO) és bemeneti feszültségesés esetén történő reteszelés (UVLO) küszöbértékének beállítására külső ellenállások szolgálnak.

Az áramkorlátozó védelem egy ellenállással 1 A-ig állítható, hogy a nagy kimeneti szűrőkondenzátorok töltésével segítse a bekapcsolási túláramok korlátozását. Az áramkorlátozás három üzemmódban valósítható meg: automatikus újrakezdés, reteszelés és folyamatos korlátozás. A SETI lábon lévő feszültség arányos a pillanatnyi árammal, és egy analóg–digitális átalakítóval (ADC) leolvasható. Ezek az IC-k –40 °C és +125 °C közötti üzemi hőmérséklet-tartományban használhatók, és a túl magas hőmérséklettől való védelem érdekében hőkikapcsolással vannak ellátva. Azokon a felhasználási területeken, ahol nagy bemeneti áramlökésekkel kell számolni, külön beszerezhető túlfeszültség-korlátozó eszközt lehet használni (6. ábra). A termékcsalád három IC-ből áll:

• A MAX17608 a túlfeszültség, a feszültségesés és a fordított polaritás ellen véd.
• A MAX17609 a túlfeszültség és a feszültségesés ellen nyújt védelmet.
• A MAX17610 a fordított polaritás elleni védelemre szolgál.

6. ábra: A MAX17608 és és a MAX17609 védelmi IC jellegzetes kapcsolása külön beszerezhető áramlökés-korlátozóval (balra) a nagy bemeneti áramlökésekkel járó felhasználási területekre (kép: Maxim Integrated)

Fejlesztőkártyák védelmi IC-khez

A MAX17608EVKIT, a MAX17609EVKIT és a MAX17610EVKIT a MAX17608, a MAX17609 és a MAX17910 teljesítményének értékelését teszi lehetővé a tervezők számára (7. ábra). A MAX17608EVKIT például egy teljesen összeszerelt és tesztelt áramköri kártya a MAX17608 értékeléséhez. Névlegesen 4,5 V és 60 V közötti feszültségre és 1 A áramerősségre van méretezve, és el van látva feszültségesés, túlfeszültség és fordított polaritás elleni védelemmel, valamint és előre- és visszafolyó irányú áramkorlátozással. A MAX17608EVKIT állítható, hogy szemléltesse a feszültségesés- és túlfeszültségvédelem értékeinek, a három áramkorlátozási üzemmódnak és a különböző áramkorlátozási küszöbértékeknek a beállítását.

7. ábra: A fejlesztőkártyák, mint a MAX17608 IC-hez való MAX17608EVKIT#, beszerezhetők a MAX17609 és a MAX17610 védelmi IC-hez való változatban is (kép: Maxim Integrated)

A nyomtatott áramköri lap elrendezésére vonatkozó útmutató

A MAX1506x és a MAX176xx elrendezésekor néhány alapvető irányelvet be kell tartani a sikeres tervezéshez. Például a MAX1506x esetében:

• A bemeneti kondenzátoroknak a lehető legközelebb kell lenniük az IN és a GND lábhoz.
• A kimeneti kondenzátornak a lehető legközelebb kell lennie az OUT és a GND lábhoz.
• A visszacsatoló (FB) ellenállásosztóknak a lehető legközelebb kell lenniük az FB lábhoz.
• Használjon rövid tápáram-vezetőcsíkokat és terheléscsatlakozásokat.

A MAX176xx esetében:

• Alakítsa az összes vezetőcsíkot a lehető legrövidebbre. Ez minimálisra csökkenti a parazitainduktivitásokat, és optimalizálja a kapcsoló válaszidejét a kimeneti rövidzárakra.
• A bemeneti és kimeneti kondenzátorok legfeljebb 5 mm-re legyenek az eszköztől. Minél közelebb vannak, annál jobb.
• Az IN és az OUT lábat rövid, széles vezetőcsíkokkal kell a tápsínhez csatlakoztatni.
• A hűtés javítása érdekében, különösen folyamatos áramkorlátozási üzemmódban, ajánlott hőelvezető furatokat kialakítani a hőterhelésnek kitett felület a földelőfelület között.

A személtető jellegű 8. ábra mutatja a MAXM17608 és a MAXM15062 típust is, valamint az áramellátási láncban egymáshoz képest elfoglalt helyüket.

8. ábra: Egy jellegzetes járműkövető eszköz blokkvázlata, amely azt szemlélteti, hogy hova illeszkednek a Maxim Integrated szinkron feszültségcsökkentő áramátalakítói és védelmi IC-i (kép: Maxim Integrated)

Összegzés

Mint látható, a tervezők a járműkövető eszközök áramellátó és védelmi eszközeinek kialakításához használhatják a jó hatásfokú MAX1506x szinkron feszültségcsökkentő áramátalakító modulokat és a MAX176xx védelmi IC-ket. Ha a megvalósítás során a tervező a bevált gyakorlat lényegi elemeit követi, egy jó hatásfokú, kis méretű és erős felépítésű eszközt kaphat eredményül, miközben minimálisra csökkenti a gyártási kockázatokat és az előírásoknak való megfeleléssel kapcsolatos problémákat.

Ajánlott olvasnivaló

1. Use a Cellular and GPS SiP to Rapidly Implement Asset Tracking for Agriculture and Smart Cities (A mezőgazdasági és okosvárosi eszközkövetés mobilhálózati és GPS SiP segítségével gyorsan megvalósítható)
2. Design Location Tracking Systems Quickly Using GNSS Modules (Helymeghatározó rendszerek gyors tervezése GNSS-modulok használatával)
3. How to Quickly Implement Positioning Multi-Constellation GNSS Modules (Helymeghatározás gyors megvalósítása több konstellációs GNSS-modulokkal)