助力小型資產跟蹤器實現更長時間續航
2023-10-28
作者：Anil Telikepalli，管理總監 Nazzareno Rossetti，模擬和電源管理專家 Simo Radovic，應用總監
來源：ADI
摘要
本文介紹一種典型的資產跟蹤解決方案，展示MAX3864x nanopower降壓轉換器系列如何憑借其小尺寸、高效率優勢，在小型便攜式設備中實現更長的電池壽命。新興的低功耗數據連接技術部署成本低，由此涌現了多種資產跟蹤解決方案。多個應用領域都見證了這一點，運輸和供應鏈管理行業尤其明顯。
在典型應用中，傳感器從給定位置提供更新信息，傳輸有關溫度、濕度、壓力和運動的數據。傳感器只需傳輸少量數據，所以其覆蓋密度更高，功耗超低，使設備實現更長久續航。傳感器的電池續航時間從幾周到長達數年。根據具體的應用，資產跟蹤應用可能需要部署多個跟蹤器設備。相應的，這些資產跟蹤器設備必須小巧、便攜，且經濟高效。
在本設計解決方案中，我們將探討典型的電池供電資產跟蹤器設備遇到的電源管理問題，并展示使用小巧但高效的降壓轉換器的示例。
邊緣到企業的通信
圖1展示了一個典型的跟蹤通信鏈。被跟蹤資產通過信標傳輸數據，數據通過專用蜂窩網絡傳輸到服務器。然后數據傳輸到企業門戶，用于資產管理和分析。
圖1.實時GPS跟蹤
資產跟蹤網絡
新一代信標直接連接至專用蜂窩網絡（LTE-M、NB-IoT），無需通過Bluetooth?也能與網關通信。雖然這些技術各不相同，但都具有低功耗特點，能夠實現長達幾年的電池續航時間（表1）。
表1.網絡特點
典型的資產跟蹤器系統
圖2所示為典型的資產跟蹤器框圖。三個串聯的堿性電池提供2000 mAh電量。降壓穩壓器為板載控制器、傳感器和無線電供電。
圖2.資產跟蹤器框圖
對于要求較高的資產跟蹤應用，該系統必須使用三節堿性電池持續運行一年，如圖3所示，資產跟蹤器每天會有一次持續約2分鐘的數據傳輸模式，工作電流為100mA，剩余時間處于深度睡眠模式，工作電流僅100μA。但是實際上，根據LTE-M或NB-IoT資產跟蹤器支持的功率電平和其他選項，電流可能會高一些，但在本文討論的示例中，我們使用100 ?A至100 mA范圍。
圖3.資產跟蹤器的電流曲線
為實現高性能，需要小心謹慎地選擇每個模塊，以確保功耗盡可能低。降壓穩壓器必須在100 ?A至100 mA范圍內保持高效率。例如，降壓轉換器平均損耗4%的效率，相當于現場部署的續航時間縮短約兩周。
超低靜態電流
降壓轉換器的靜態電流尤其重要，因為設備大部分時間處于深度睡眠或靜默狀態，僅消耗100 μA或更少的電流。如果VOUT = 1.8 V，在深度睡眠狀態下，輸出功率POUT = 1.8 V × 100 μA = 180 μW。η = 90%時，輸入功率為：
如果未恰當選擇降壓轉換器，該轉換器消耗3 μA靜態電流（典型值），采用3.6 V輸入電壓，就會額外產生以下功耗：
降壓轉換器最終效率：
3 μA靜態電流會導致降壓轉換器效率降低4%，大大加快電池耗電速度！
另一方面，靜態電流為300 nA的降壓轉換器幾乎不會降低其效率，其效率僅降低0.5%。對于資產跟蹤應用，選擇具有超低靜態電流的降壓轉換器至關重要，因為系統大部分時間都處于靜默狀態，且僅依賴電池供電。
Nanopower降壓轉換器
圖4所示的nanopower 330 nA超低靜態電流降壓型DC-DC轉換器是一個典型的高能效示例，該器件采用1.8 V至5.5 V輸入電壓，支持高達175 mA負載電流，峰值效率高達96%。在休眠模式下，它僅消耗5 nA關斷電流。該器件采用節省空間的1.42 mm × 0.89 mm、6引腳晶圓級封裝（2個3引腳WLP，0.4 mm間距）。如果基于NB-IoT或LTE-M網絡的功率水平需要更高電流，可選擇同類器件來提供更高電流。
圖4.集成式降壓轉換器
小尺寸
Nanopower降壓轉換器應用的占地面積如圖5所示。由于采用WLP封裝、高開關頻率操作和小型外部無源器件，該降壓轉換器的凈PCB面積僅為7.1 mm2。
圖5.資產跟蹤器降壓轉換器應用（7.1 mm2凈占地面積）
效率優勢
圖6顯示了具有3.6 V輸入電壓、1.8 V輸出電壓的降壓轉換器的效率曲線。在高負載下同步整流，在輕負載下進行脈沖操作，超輕負載確保在寬工作范圍內保持高效率。
該IC在100μA下的工作效率達87.5%，在100 mA下的工作效率高達92%，因此非常適合資產跟蹤應用。與其他替代解決方案相比，這款降壓轉換器具有明顯的效率優勢。
圖6.MAX38640 效率曲線
高效率和小尺寸優勢相輔相成，有助于減少發熱。在設計更小巧、散熱性能更佳的資產跟蹤器時，能夠幫助緩解設備過熱的問題。
結論
根據具體的應用，資產跟蹤器在僅使用小型電池供電的情況下，必須能夠在現場持續運行幾周到幾年。針對此類應用，需要謹慎選擇每個模塊，以確保功耗盡可能低。降壓穩壓器必須在幾十微安到幾百毫安的輸入電流范圍內保持高效運行。MAX3864x nanopower降壓轉換器系列具有高效率和小尺寸特性，是非常適合資產跟蹤應用的電源解決方案。
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