作者：核心產(chǎn)品業(yè)務部董事總經(jīng)理 Anil Telikepalli；Nazzareno (Reno) Rossetti，模擬和電源管理專家；和 Simo Radovic， Maxim Integrated的電源核心產(chǎn)品首席應用工程師

由于部署成本低，新的低功耗數(shù)據(jù)連接正在引發(fā)資產(chǎn)跟蹤解決方案的激增。這種影響可以在多種應用中看到，特別是運輸和供應鏈管理。

在典型應用中，傳感器從給定位置提供更新，傳輸有關溫度、濕度、壓力和運動的數(shù)據(jù)。傳感器只需傳輸少量數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)更高的覆蓋范圍和超低功耗，從而實現(xiàn)更長的設備壽命。傳感器的電池必須持續(xù)數(shù)周至數(shù)年。根據(jù)應用程序的不同，資產(chǎn)跟蹤可能需要部署多個跟蹤器設備。因此，這些資產(chǎn)跟蹤設備還必須小巧、便攜且具有成本效益。

在此設計解決方案中，我們討論了典型電池供電資產(chǎn)跟蹤器設備遇到的電源管理挑戰(zhàn)，并展示了使用小型高效降壓轉換器的示例。

邊緣到企業(yè)的通信圖 1 說明了一個典型的跟蹤通信鏈。被跟蹤的資產(chǎn)通過信標傳輸數(shù)據(jù)，信標通過專用蜂窩網(wǎng)絡到達服務器。從這里，數(shù)據(jù)到達用于資產(chǎn)管理和分析的企業(yè)門戶。

圖 1：實時 GPS 跟蹤。

在工廠環(huán)境中，資產(chǎn)跟蹤將設施、車隊設備和維護的管理整合到一個平臺中，從而提高了安全性、生產(chǎn)力并延長了資產(chǎn)壽命。

資產(chǎn)跟蹤網(wǎng)絡新一代信標直接連接到專用蜂窩網(wǎng)絡（LTE-M、NB-IoT），無需使用藍牙與網(wǎng)關進行通信。這些技術可能非常不同，但都具有低功耗的特點，可實現(xiàn)數(shù)年的電池壽命（表 1）。

表 1：網(wǎng)絡特征。

典型的資產(chǎn)跟蹤器系統(tǒng)圖 2 顯示了一個典型的資產(chǎn)跟蹤器框圖。三串堿性電池可提供 2,000 mAh 的電量。一個降壓穩(wěn)壓器為車載控制器、傳感器和無線電供電。

圖 2：資產(chǎn)跟蹤器框圖。

對于要求苛刻的資產(chǎn)跟蹤應用，系統(tǒng)必須使用三節(jié)堿性電池持續(xù)一年，在深度睡眠中僅消耗 100 μA 電流，每天傳輸 100 mA 電流約兩分鐘（圖 3）。雖然根據(jù) LTE-M 或 NB-IoT 資產(chǎn)跟蹤器支持的功率水平和其他選項，電流確實可能更高，但在我們的討論中，我們將堅持 100-μA 至 100-mA 的范圍。

圖 3：資產(chǎn)跟蹤器當前配置文件。

高使用性能需要仔細選擇每個塊以實現(xiàn)最低功耗。降壓穩(wěn)壓器必須在 100 μA 至 100 mA 的寬范圍內(nèi)保持高效。例如，降壓轉換器平均降低 4% 的效率意味著減少大約兩周的現(xiàn)場部署。

超低靜態(tài)電流降壓轉換器的靜態(tài)電流尤為重要，因為該器件大部分時間處于深度睡眠或安靜模式，僅消耗 100 μA 或更少。V OUT = 1.8 V 時，深度睡眠期間的輸出功率為 P OUT = 1.8 V × 100 μA = 180 μW。η = 90% 時，輸入功率為： P IN = 180 μW/0.9 = 200 μW

如果降壓轉換器沒有經(jīng)過仔細選擇并且具有 3 μA 的典型靜態(tài)電流和 3.6 V 的輸入電壓，則會產(chǎn)生額外的功耗：P' IN = 3 μA × 3.6 V = 10.8 μW

最終降壓轉換器效率為： η = P OUT /(P IN + P' IN ) = 180/(200 + 10.8) = 86%

3 μA 的靜態(tài)電流使降壓轉換器失去四個效率點，從而顯著更快地耗盡電池！

另一方面，具有 300nA 靜態(tài)電流的降壓轉換器幾乎不會降低效率，僅降低半個百分點。對于資產(chǎn)跟蹤應用，選擇具有超低靜態(tài)電流的降壓轉換器至關重要，因為系統(tǒng)大部分時間都處于“安靜”模式并依賴電池。

nanoPower 降壓轉換器作為高效率示例，圖 4所示的nanoPower超低 330nA 靜態(tài)電流降壓（降壓）DC/DC 轉換器在 1.8V 至 5.5V 輸入電壓范圍內(nèi)工作并支持負載電流高達 175 mA，峰值效率為 96%。在睡眠模式下，它僅消耗 5 nA 的關斷電流。該器件采用節(jié)省空間的 1.42 × 0.89-mm 六引腳晶圓級封裝（WLP 2 × 3 凸塊，0.4-mm 間距）。如果基于 NB-IoT 或 LTE-M 網(wǎng)絡中的功率水平需要更高的電流，則姐妹部件可以提供更高的電流。

圖 4：集成降壓轉換器。

小尺寸nanoPower 降壓轉換器的應用封裝如圖5 所示。由于其 WLP 封裝、高開關頻率操作和小型外部無源器件，降壓轉換器的 PCB 凈面積僅為7.1 mm 2。還提供 2 × 2-mm DFN 封裝。

圖 5：資產(chǎn)跟蹤降壓轉換器應用（7.1 mm 2 凈面積）。

效率優(yōu)勢圖 6 顯示了具有 3.6V 輸入和 1.8V 輸出的降壓轉換器的效率曲線。高負載下的同步整流和輕載和超輕負載下的脈沖操作確保了在寬工作范圍內(nèi)的高效率。100 μA 時 87.5% 的高效運行和 100 mA 時 92% 的效率使該 IC 成為資產(chǎn)跟蹤應用的理想選擇。與替代解決方案相比，該降壓轉換器具有多個效率點的優(yōu)勢。

圖 6：MAX38640A 效率曲線。

高效率和更小的占地面積的好處齊頭并進，從而減少了熱量的產(chǎn)生。這有助于設計更小、更酷的資產(chǎn)跟蹤器，緩解設備過熱的擔憂。

結論資產(chǎn)跟蹤器，根據(jù)其具體應用，必須在現(xiàn)場運行數(shù)周至數(shù)年，僅由小型電池供電。這種類型的操作需要仔細選擇每個塊以最小化功耗。降壓穩(wěn)壓器必須在幾十 μA 到幾百 mA 的寬輸入電流范圍內(nèi)高效運行。nanoPower 降壓轉換器系列具有高效率和小尺寸，為資產(chǎn)跟蹤應用提供了理想的電源解決方案。

審核編輯 黃昊宇