如何為車輛資產追蹤元件提供電力和保護以確保元件穩定運作

作者：Jeff Shepard

資料提供者：DigiKey 北美編輯群

2022-09-15

為商業車隊實作車輛資產追蹤功能，可確保有效性和高效性，有助於因應現代化物流與供應鏈面臨的挑戰。但車輛資產追蹤元件的設計人員需要在設計時考慮到堅固性、嚴苛的電氣環境、高衝擊與振動性，以及寬廣的工作溫度範圍等。同時，他們還必須在更小的外形尺寸，以及更寬廣的輸入電壓範圍內 (通常是 4.5 至 60 VDC) 下滿足日益增加的效能、效率和防護要求。

有鑑於上述工作條件和資產價值，防護的重要性不容忽視。通常必須包括過電流、過壓、欠壓和逆向電壓等情況的保護，以確保有可靠的運作並可支援高度的可用性。

從頭開始設計可滿足這些工作要求的電力轉換和保護電路，一點都不簡單。雖然這樣做可以達到完全最佳化的設計，但也可能導致上市時間延遲、成本超支和合規性的問題。反之，設計人員可以轉向現成的 DC/DC 轉換器電源模組和防護 IC。

本文將討論車輛資產追蹤元件的電源要求，並概述這些元件的一般電源管理與保護架構。然後會介紹 Maxim Integrated Products 的 DC/DC 轉換器模組及保護 IC，以供設計人員在這些應用中使用。此外，還提供了相關的評估板和印刷電路板 (PCB) 佈局指南。

車輛資產追蹤器的電源要求

車輛電池是追蹤元件的主要電源，消費性車輛通常採用 12 VDC，商用卡車則是 24 VDC。資產追蹤器是以售後配件的形式銷售，通常含有一個續航力達數天的充電式備援電池。此外，這些元件需要針對車輛電源匯流排上的暫態和故障情況提供保護，通常含有降壓 DC/DC 轉換器和低降壓穩壓器 (LDO) 的組合，藉此供電給系統元件 (圖 1)。

典型的資產追蹤／車隊管理元件中的電源系統示意圖 圖 1：典型的資產追蹤／車隊管理元件中的電源系統，含有兩個或更多的降壓 DC/DC 轉換器、一個 LDO 和一個保護 IC。(圖片來源：Maxim Integrated)

由於資產追蹤元件是以售後產品安裝，因此尺寸必須越小越好，以便裝入可用空間內。電源轉換元件需要達到高效率，以便用相對較小的電池，達到更長的元件壽命和更長的備援時間。由於資產追蹤元件通常是裝於密封的外殼內，因此降低內部發熱相當重要，以免對使用壽命和可靠度產生負面影響。這樣一來，電源系統就必須在小型化和高效率之間達到最佳組合。儘管 LDO 尺寸小巧，卻不是最有效率的選擇。

反之，設計人員可以轉用同步降壓 DC/DC 轉換器來提高轉換效率。例如，24 V 至 3.3 V 同步降壓轉換器的轉換效率一般可達 72%，而 24 V 至 5 V 轉換器的轉換效率則可達到 84%。使用同步 DC/DC 轉換器可降低熱耗散，進而提高可靠度，並有機會使用更小的備援電池。困難之處在於，要針對這些應用的需求，設計一個具有 60 VDC 最大輸入額定值的緊湊型解決方案。

同步降壓 IC 與整合式模組

為了達到小尺寸和高效率的設計目標，設計人員可以選擇以同步 DC/DC 轉換器 IC 或整合式 DC/DC 轉換器模組為主的解決方案。典型的 300 mA 同步降壓 IC 解決方案需要一個 2 mm² 的 IC、一個大約為 4 mm² 的電感，以及其他幾個被動元件，這些共佔用 29.3 mm² 的電路板面積。相對地，Maxim Integrated 的 Himalaya μSLIC 整合式同步降壓模組則可提供尺寸縮小 28% 的解決方案，僅佔用 21 mm² 的電路板面積 (圖 2)。

Maxim Himalaya μSLIC 的電源模組解決方案與傳統降壓轉換器實作方案的比較圖 圖 2：與傳統降壓轉換器實作方案 (左) 相比，Himalaya μSLIC 電源模組解決方案 (右) 佔用的電路板空間減少 28%。(圖片來源：Maxim Integrated)

垂直整合

Himalaya μSLIC 電源模組可垂直整合電感與降壓轉換器 IC，相較於典型的平面解決方案，可大幅縮小電路板空間。μSLIC 模組的額定輸入電壓高達 60 VDC，工作溫度介於 -40 至 +125°C。即使採用垂直整合，其外形依然輕薄緊湊，採用 10 引腳的 2.6 x 3 x 1.5 (高) mm 封裝 (圖 3)。

Maxim Himalaya μSLIC 的電源模組圖片 圖 3：在 Himalaya μSLIC 電源模組中，電感垂直整合於 IC 上，可將電路板空間縮減至最小。(圖片來源：Maxim Integrated)

MAXM15062／MAXM15063／MAXM15064 高效同步降壓模組含有整合式控制器、MOSFET、補償元件和電感。只需要幾個外部元件，即可達到完整的高效 DC/DC 解決方案 (圖 4)，這些模組可提供高達 300 mA 的電流，並可在 4.5 至 60 VDC 的輸入電壓範圍內運作。MAXM15064 的輸出可在 0.9 VDC 至 5 VDC 間調整，而 MAXM15062 和 MAXM15063 則為固定輸出，分別為 3.3 和 5 VDC。

Maxim 的 MAXM15064 僅需三個電容示意圖 圖 4：MAXM15064 只需要三個電容和兩個電阻，即可達到完整的降壓轉換器解決方案。(圖片來源：Maxim Integrated)

這些模組具有峰值電流模式控制架構，可提供逐週期限流保護、固有短路保護和良好的暫態響應等優點。這些模組有固定的 4.1 ms 軟啟動時間，可減少湧入電流。設計人員可以使用這些高效率的降壓轉換器模組，來簡化設計流程、降低製造風險，並加快上市時間。

評估套件可提供經過驗證的設計

MAXM15064EVKIT# 評估套件提供經過驗證的設計，可評估 MAXM15064 同步降壓模組 (圖 5)。此套件經過編程，可針對高達 300 mA 的負載提供 5 VDC。具有可調式輸入欠壓鎖定、開汲極 RESET 訊號，以及可選擇的脈寬調變 (PWM) 或脈衝頻率調變 (PFM) 模式。PFM 模式可用於提供更高的輕負載效率。此套件符合 CISPR22 (EN55022) Class B 傳導和輻射放射標準，可在 48 VDC 輸入和 200 mA 輸出下達到 78.68% 的效率。

Maxim 的 MAXM15064EVKIT# 5 VDC 輸出評估套件圖片 圖 5：MAXM15064EVKIT# 是一款用於 MAXM15064 的 5 VDC 輸出評估套件，可提供高達 300 mA。(圖片來源：Maxim Integrated)

防護 IC

設計人員可以使用 MAX176xx 可調式過壓和過電流防護 IC，以及 MAXM1506x 同步降壓模組來構建完整的系統解決方案。這些 IC 採用 12 引腳 TDFN-EP 封裝，可保護系統以免受到 -65 至 +60 V 的正負輸入電壓故障影響。具有內部場效電晶體 (FET)，典型導通電阻 (R_ON) 僅有 260 mΩ。輸入過壓保護範圍經過編程，介於 5.5 至 60 V，而輸入欠壓保護範圍則可在 4.5 至 59 V 之間調整。外部電阻可用於設定輸入過壓鎖定 (OVLO) 和欠壓鎖定 (UVLO) 的臨界值。

限流保護功能可透過一個高達 1 A 的電阻進行編程，有助於在對大輸出濾波器電容充電時控制湧入電流。有三種模式可達到限流：自動重試、閂鎖關閉或連續模式。SETI 引腳上的電壓與瞬時電流成正比，並且可由類比數位轉換器 (ADC) 讀取。這些 IC 的工作溫度介於 -40 至 +125°C，同時還具有熱關斷功能，可防止溫度過高。選配的突波抑制器元件可在預期會有高輸入突波電流的應用中派上用場 (圖 6)。此系列有三款 IC：

MAX17608 可提供過壓、欠壓與逆向電壓保護。
MAX17609 可提供過壓與欠壓保護。
MAX17610 可提供逆向電壓保護。

Maxim MAX17608 和 MAX17609 防護 IC 圖片 圖 6：MAX17608 和 MAX17609 防護 IC 的典型整合圖，顯示出選配的突波抑制器 (左) 在高輸入突波應用中的使用情況。(圖片來源：Maxim Integrated)

防護 IC 評估套件

MAX17608EVKIT、MAX17609EVKIT 及 MAX17610EVKIT 能讓設計人員分別評估 MAX17608、MAX17609 與 MAX17910 的效能 (圖 7)。例如，MAX17608EVKIT 是一款完整組裝且經過測試的電路板，可用於評估 MAX17608。額定值為 4.5 至 60 V 和 1 A，具有欠壓、過壓、逆向電壓保護以及順向／逆向限流功能。MAX17608EVKIT 可配置成展示可調式欠壓和過壓保護、三種限流模式以及多種限流臨界值。

Maxim 的 MAX17608EVKIT# 評估板適用於 MAX17608 示意圖 圖 7：適用於 MAX17608 的評估板 (如 MAX17608EVKIT#)，也可用於 MAX17609 和 MAX17610 防護 IC。(圖片來源：Maxim Integrated)