Virransyöttö- ja suojausominaisuudet ajoneuvoseurantalaitteiden luotettavan toiminnan varmistamisessa

Tämän päivän logistiikka- ja toimitusketjuihin liittyviä haasteita voidaan ratkoa käyttämällä hyötyajoneuvokalustoissa ajoneuvoseurantaa hyötysuhteen ja tehokkuuden varmistamiseen. Ajoneuvoseurantalaitteiden suunnittelijoiden on kuitenkin otettava ratkaisuissa huomioon kestävyys, haastavat sähköiset ympäristöt, korkea isku- ja tärinäkuormitus sekä laajat käyttölämpötila-alueet. Laitteiden pitää silti samanaikaisesti täyttää kasvavat suorituskyky-, hyötysuhde- ja suojausvaatimukset pienemmässä koossa ja laajemmalla syöttöjännitealueella – tyypillisesti 4,5–60 volttia tasavirtaa (DC).

Suojauksen merkitystä ei voi korostaa liikaa, kun huomioon otetaan käyttöolosuhteet ja omaisuuden arvo. Luotettavan toiminnan ja korkean käytettävyyden varmistamisessa vaaditaan tyypillisesti suojaus ylivirtaa, ylijännitettä, alijännitettä ja väärin päin kytkettyä jännitettä vastaan.

Näiden toimintavaatimusten täyttämiseen tarvittavien tehomuunnos- ja suojauspiirien suunnittelu tyhjästä voi olla haastavaa. Vaikka tällä tavoin voidaankin saada aikaan täysin optimoitu rakenne, tällainen suunnittelu voi myös johtaa viivästyksiin markkinoille tuonnissa, kustannusten ylittymiseen ja vaatimustenmukaisuusongelmiin. Näiden ongelmien välttämiseksi suunnittelijat voivat käyttää valmiita DC/DC-tehomoduuleita ja suojausmikropiirejä.

Tässä artikkelissa tarkastellaan ajoneuvoseurantalaitteiden tehovaatimuksia ja sitä, miltä näiden laitteiden tyypillinen tehohallinta- ja suojausarkkitehtuuri näyttää. Sen jälkeen siinä esitellään Maxim Integrated Productsin DC/DC-muunninmoduulit ja suojausmikropiirit, joita suunnittelijat voivat käyttää näihin sovelluksiin. Artikkelissa käsitellään myös aiheeseen liittyviä evaluointikortteja ja ohjeita piirikorttien layoutia varten.

Ajoneuvoseurantalaitteiden tehovaatimukset

Ajoneuvon akku on seurantalaitteiden ensisijainen virtalähde. Kuluttaja-ajoneuvoissa on yleensä 12 voltin (DC) ja hyötyajoneuvoissa 24 voltin (DC) akku. Seurantalaitteita myydään jälkiasennusvarusteena, ja ne sisältävät tavallisesti ladattavan vara-akun, jonka kapasiteetti riittää muutaman päivän. Lisäksi seurantalaitteet vaativat suojauksen ajoneuvon virtaväylän transientteja ja vikatilanteita vastaan ja ne sisältävät yleensä DC/DC-alennusmuuntimia ja LDO (Low Drop-Out) -regulaattoreita virran syöttämiseksi järjestelmäelementteihin (kuva 1).

Kuva 1: Tyypillisen omaisuudenseuranta- ja kalustonhallintalaitteen virransyöttöjärjestelmä sisältää vähintään kaksi DC/DC-jännitteenalennusmuunninta, LDO-regulaattorin ja suojausmikropiirin. (Kuvan lähde: Maxim Integrated)

Koska omaisuudenseurantalaitteet asennetaan jälkikäteen, niiden täytyy olla mahdollisimman pieniä, jotta ne mahtuvat käytettävissä olevaan tilaan. Tehomuunnoskomponenteilta vaaditaan erittäin korkea hyötysuhde laitteen käyttöiän ja suhteellisen pienen varavirta-akun keston pidentämiseksi. Koska omaisuudenseurantalaitteet käyttävät yleensä suljettuja koteloita, on tärkeää minimoida sisäisen lämmön syntyminen, sillä se voi lyhentää laitteen käyttöikää ja heikentää luotettavuutta. Tämän vuoksi virransyöttöjärjestelmän on tarjottava pienen koon ja korkean hyötysuhteen optimaalinen yhdistelmä. Vaikka LDO-regulaattorit ovat kompakteja, ne eivät ole kaikkein tehokkain vaihtoehto.

Suunnittelijat voivat käyttää niiden sijasta synkronisia DC/DC-jännitteenalennusmuuntimia, jotka tarjoavat korkean muuntohyötysuhteen. Kun esimerkiksi 24 volttia muunnetaan synkronisesti 3,4 volttiin, hyötysuhde voi tyypillisesti olla 72 %, ja 84 % muunnettaessa 24 volttia 5 volttiin. Synkronisten DC/DC-muuntimien käyttö johtaa pienempään lämpöhäviöön, mikä parantaa luotettavuutta ja mahdollistaa pienemmän vara-akun käytön. On haastavaa suunnitella kompakti ratkaisu, joka tarjoaa näissä sovelluksissa vaadittavan 60 voltin maksimin DC-tuloluokituksen.

Synkroniset jännitteenalennusmikropiirit vs. integroidut moduulit

Suunnittelijat voivat täyttää kompaktit koko- ja hyötysuhdevaatimukset valitsemalla joko synkronisiin DC/DC-muunninmikropiireihin tai integroituihin DC/DC-muunninmoduuleihin perustuvan ratkaisun. Tyypillinen synkronista jännitteenalennusmikropiiriä käyttävä 300 mA:n ratkaisu vaatii 2 neliömillimetrin (mm²) kokoisen mikropiirin, noin 4 mm²:n kokoisen induktorin sekä useita muita passiivisia komponentteja, jotka vievät yhteensä 29,3 mm² piirilevypinta-alaa. Vaihtoehdon tarjoaa integroitu synkroninen jännitteenalennusmoduuli Maxim IntegratedHimalaya μSLIC, jonka koko on 28 % pienempi ja joka vie vain 21 mm² piirilevytilaa (kuva 2).

Kuva 2: Himalaya μSLIC -tehomoduuliratkaisu (oikealla) vie 28 % vähemmän levytilaa perinteiseen jännitteenalennusmuunnintoteutukseen (vasemmalla) verrattuna. (Kuvan lähde: Maxim Integrated)

Vertikaali rakenne

Induktori ja alennusmuunninmikropiiri sijaitsevat Himalaya μSLIC -tehomoduulissa vertikaalisesti, mikä vähentää merkittävästi piirilevytilan tarvetta tyypillisiin tasomaisiin ratkaisuihin verrattuna. μSLIC-moduulien maksimi tulojännite on 60 volttia (DC) ja lämpötila-alue -40 ... +125 °C. Vaikka piirit on integroitu vertikaalisesti, moduulin profiili on matala ja kompakti 10-jalkaisessa kotelossa kooltaan 2,6 x 3 x 1,5 mm (kuva 3).

Kuva 3: Himalaya μSLIC -tehomoduulissa induktiokela on integroitu mikropiiriin vertikaalisesti piirilevytilan minimoimiseksi. (Kuvan lähde: Maxim Integrated)

Korkean hyötysuhteen synkroniset jännitteenalennusmoduulit MAXM15062/MAXM15063/MAXM15064 sisältävät integroidun ohjaimen, MOSFET-transistorit, kompensointikomponentit ja induktiokelan. Ne vaativat vain muutamia ulkoisia komponentteja valmiin korkean hyötysuhteen DC/DC-ratkaisun toteuttamiseksi (kuva 4). Nämä moduulit tarjoavat jopa 300 mA ja ne toimivat tulojännitealueella 4,5–60 V (DC). Jännitteenalennusmoduulin MAXM15064 lähtöjännite on säädettävissä välillä 0,9–5 V (DC), kun taas malleissa MAXM15062 ja MAXM15063 on kiinteät lähtöjännite 3,3 ja 5 V (DC).

Kuva 4: Jännitteenalennusmoduuli MAXM15064 vaatii vain kolme kondensaattoria ja kaksi vastusta kokonaisen jännitteenalennusmuunninratkaisun luontiin. (Kuvan lähde: Maxim Integrated)

Näiden moduulien arkkitehtuuri käyttää huippuvirtatilaohjausta, jonka etuja ovat syklikohtainen virranrajoitus, luontainen oikosulkusuojaus ja hyvä transienttivaste. Niillä on kiinteä 4,1 millisekunnin (ms) pehmeä käynnistysaika, joka vähentää kytkentävirtoja. Suunnittelijat voivat optimoida suunnitteluprosessia, vähentää valmistusriskejä ja nopeuttaa markkinoille tuontia näillä tehokkailla jännitteenalennusmoduuleilla.

Evaluointisarjat käyttävät luotettavia ratkaisuja

Evaluointisarja MAXM15064EVKIT# tarjoaa luotettavan ratkaisun synkronisen jännitteenalennusmoduulin MAXM15064 evaluointiin (kuva 5). Se on asetettu syöttämään 5 V (DC) maksimivirran ollessa 300 mA. Sen ominaisuuksiin kuuluvat säädettävä tulon alijännitelukitus, RESET-signaali avoimella nielulla ja valittavissa oleva pulssinleveysmodulaatio- (PWM) tai pulssitaajuusmodulaatiotila (PFM). PFM-tila tarjoaa korkeamman hyötysuhteen kevyellä kuormalla. Sarja täyttää CISPR22 (EN55022) -luokan B vaatimukset koskien johdettuja emissioita ja säteilyemissioita. Sen hyötysuhde on 78,68 % 48 voltin DC-tulolla ja 200 mA:n lähdöllä.

Kuva 5: MAXM15064EVKIT# on 5 voltin DC-lähdön tarjoava evaluointisarja MAXM15064-jännitteenalennusmoduulille ja sen maksimi virtaluokitus on 300 mA. (Kuvan lähde: Maxim Integrated)

Suojausmikropiirit

Suunnittelijat voivat luoda valmiin järjestelmäratkaisun yhdistämällä säädettävät ylijännite- ja ylivirtasuojausmikropiirit MAX176xx sekä synkroniset jännitteenalennusmoduulit MAXM1506x. Nämä mikropiirit käyttävät 12-jalkaista DFN-EP-koteloa ja ne on suunniteltu suojaamaan järjestelmiä negatiivisen ja positiivisen tulojännitteen vioilta alueella -65 ... +60 V. Niihin sisältävät sisäisen kanavatransistorin (FET), jonka tyypillinen kytkentävastus (R_ON) on vain 260 milliohmia. Tulon ylijännitesuojaus on säädettävissä alueella 5,5–60 V, kun taas tulon alijännitesuojaus on säädettävissä alueella 4,5–59 V. Tulon ylijännitelukituksen (OVLO) ja alijännitelukituksen (UVLO) kynnysarvot asetetaan ulkoisilla vastuksilla.

Virtarajoitus asetetaan vastuksella ja sen maksimivirta on 1 ampeeria (A). Tällä rajoitetaan kytkentävirtaa, kun suuria lähtösuodatinkondensaattoreita ladataan. Virtarajoitus voidaan toteuttaa kolmessa tilassa: automaattinen uudelleenyritys, piirin katkaisu tai jatkuva. SETI-nastan jännite on verrannollinen hetkelliseen virtaan, ja se voidaan lukea analogi-digitaalimuuntimella (ADC). Näiden mikropiirien käyttölämpötila-alue on -40 ... +125 °C, ja integroitu terminen katkaisu suojaa niitä ylikuumenemiselta. Sovelluksissa, joiden tulossa voi esiintyä korkeita virtapiikkejä, voidaan haluttaessa käyttää ylijännitesuojaa (kuva 6). Tuoteperheeseen kuuluu kolme mikropiiriä:

• MAX17608 suojaa ylijännitteeltä, alijännitteeltä ja väärin päin kytketyltä jännitteeltä.
• MAX17609 suojaa yli- ja alijännitteeltä.
• MAX17610 suojaa väärin päin kytketyltä jännitteeltä.

Kuva 6: MAX17608- ja MAX17609-suojausmikropiirien tyypillinen käyttö ja valinnainen ylijännitesuoja (vasemmalla) sovelluksiin, joiden tulossa esiintyä korkeita ylijännitteitä. (Kuvan lähde: Maxim Integrated)

Suojausmikropiirien evaluointisarjat

Suunnittelijat voivat evaluoida suojausmikropiirien MAX17608, MAX17609 ja MAX17910 suorituskykyä evaluointisarjojen MAX17608EVKIT, MAX17609EVKIT ja MAX17610EVKIT avulla (kuva 7). Esimerkiksi MAX17608EVKIT-evaluointisarja on valmiiksi koottu ja testattu piirikortti suojausmikropiirin MAX17608 evaluointia varten. Sen jänniteluokitus on 4,5–60 volttia ja virtaluokitus 1 ampeeria, ja se tarjoaa suojauksen alijännitettä, ylijännitettä ja väärin päin kytkettyä jännitettä vastaan sekä myötä- ja käänteisvirtarajoituksen. MAX17608EVKIT-evaluointisarja voidaan konfiguroida niin, että se esittelee säädettävää ali- ja ylijännitesuojausta, kolmea virtarajatilaa ja erilaisia virtarajakynnyksiä.

Kuva 7: MAX17608-suojausmikropiirille tarkoitetun MAX17608EVKIT#-evaluointikortin kaltaisia kortteja on saatavana myös MAX17609- ja MAX17610-suojausmikropiireille. (Kuvan lähde: Maxim Integrated)

Ohjeita piirilevyn layout-suunnitteluun

Jännitteenalennusmoduulien MAX1506x ja suojausmikropiirien MAX176xx piirilevyjen layoutissa on noudatettava eräitä perusohjeita ratkaisun onnistumiseksi. Esimerkiksi MAX1506x:

• Tulokondensaattorien tulee olla mahdollisimman lähellä IN- ja GND-nastoja.
• Lähtökondensaattorin tulee olla mahdollisimman lähellä OUT- ja GND-nastoja.
• Takaisinkytkennän (FB) vastusjakajien tulee olla mahdollisimman lähellä FB-nastaa.
• Käytä lyhyitä virtajohtimia ja kuormaliitäntöjä.

MAX176xx:

• Pidä kaikki johtimet mahdollisimman lyhyinä. Tämä minimoi loisinduktanssit ja optimoi kytkimen vasteajan lähdön oikosulkuihin.
• Tulo- ja lähtökondensaattoreiden tulee olla enintään 5 mm:n päässä laitteesta; mitä lähempänä, sitä parempi.
• IN- ja OUT-nastat on liitettävä virtaväylään lyhyillä, leveillä johtimilla.
• Lämpöläpivientien käyttö on suositeltavaa avoimen juotoskohdan ja maatason välillä lämpösuorituskyvyn parantamiseksi erityisesti jatkuvassa virtarajoitustilassa.

Kuva 8 näyttää referenssin vuoksi sekä MAXM17608- että MAXM15062-komponentit ja niiden sijainnit virtaketjussa.

Kuva 8: Tyypillisen omaisuudenseurantalaitteen lohkokaavio näyttää, missä Maxim Integratedin synkronisia jännitteenalennusmuuntimia ja suojausmikropiirejä voidaan käyttää. (Kuvan lähde: Maxim Integrated)

Yhteenveto

Kuten edellä on esitetty, suunnittelijat voivat toteuttaa korkean hyötysuhteen synkronisilla jännitteenalennusmoduuleilla MAX1506x ja suojausmikropiireillä MAX176xx täydellisen virransyöttö- ja suojausratkaisun ajoneuvoseurantalaitteita varten. Kun toteutuksessa noudatetaan parhaita keskeisiä käytäntöjä, voidaan saada aikaan tehokas, kompakti ja kestävä ratkaisu ja minimoida samalla valmistusriskit ja vaatimustenmukaisuusongelmat.

Suositeltavaa luettavaa

1. Solukko- ja GPS SiP -teknologioiden käyttö omaisuudenseurannan nopeaan toteutukseen maataloudessa ja älykaupungeissa
2. Design Location Tracking Systems Quickly Using GNSS Modules (Suunnittele seurantajärjestelmiä nopeasti GNSS-moduuleilla)
3. Useita satelliittijärjestelmiä käyttävien GNSS-moduulien nopea käyttöönotto paikannusta varten