Stromversorgung und Schutz von Fahrzeug-Ortungsgeräten zur Gewährleistung eines zuverlässigen Betriebs

Die Herausforderungen moderner Logistik und Lieferketten können durch die Implementierung der Fahrzeugbestandsverfolgung in Nutzfahrzeugflotten unterstützt werden, um Effizienz und Effektivität zu gewährleisten. Die Konstrukteure von Geräten zur Fahrzeugortung müssen jedoch robuste Geräte für raue elektrische Umgebungen, hohe Stoß- und Vibrationsbelastungen und große Betriebstemperaturbereiche entwickeln. Gleichzeitig sehen sie sich mit immer höheren Anforderungen an Leistung, Effizienz und Schutz konfrontiert, wobei die Formfaktoren schrumpfen und die Eingangsspannungsbereiche immer breiter werden (in der Regel 4,5 bis 60 Volt Gleichspannung (DC)).

Die Bedeutung des Schutzes kann angesichts der Betriebsbedingungen und des Bestandswertes nicht hoch genug eingeschätzt werden. Er muss üblicherweise Überstrom, Überspannung, Unterspannung und Verpolung abdecken, um einen zuverlässigen Betrieb und eine hohe Verfügbarkeit zu gewährleisten.

Die Entwicklung der Leistungswandlungs- und Schutzschaltkreise, die erforderlich sind, um diese Betriebsanforderungen von Grund auf zu erfüllen, kann eine Herausforderung darstellen. Zwar lässt sich damit am Ende gegebenenfalls ein vollständig optimiertes Design erreichen, andererseits sind aber auch Verzögerungen bei der Markteinführung, Kostenüberschreitungen und Probleme mit der Einhaltung von Vorschriften denkbar. Stattdessen können Entwickler auf fertige Standard-Leistungsmodule mit DC/DC-Wandler und Schutz-ICs zurückgreifen.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Stromversorgungsanforderungen für Fahrzeug-Ortungsgeräte und zeigt auf, wie eine typische Leistungsmanagement- und Schutzarchitektur für diese Geräte aussieht. Anschließend werden reale DC/DC-Wandlermodule und Schutz-ICs von Maxim Integrated Products vorgestellt, die Entwickler in diesen Anwendungen einsetzen können. Außerdem werden passende Evaluierungsboards genannt und Richtlinien für das Leiterplattenlayout gegeben.

Leistungsbedarf von Fahrzeug-Ortungsgeräten

Die Fahrzeugbatterie ist die primäre Stromquelle für Ortungsgeräte und liefert in der Regel 12 Volt DC in Pkws und 24 Volt DC in Nutzfahrzeugen. Die Ortungsgeräte werden als nachrüstbares Zubehör verkauft und voraussichtlich mit einem Reserve-Akku ausgestattet sein, dessen Kapazität für einige Tage ausreicht. Darüber hinaus müssen diese Geräte vor Transienten und Störungen auf dem Stromversorgungsbus des Fahrzeugs geschützt werden, und sie umfassen in der Regel eine Kombination aus DC/DC-Abwärtswandlern und LDO-Reglern (low drop out - niedrige Abfallspannung) zur Versorgung der Systemelemente (Abbildung 1).

Abbildung 1: Das Stromversorgungssystem in einem typischen Ortungs-/Flottenmanagementgerät umfasst zwei oder mehr DC/DC-Abwärtswandler, einen LDO und einen Schutz-IC. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Da sie als Nachrüstzubehör installiert werden, müssen die Ortungsgeräte so klein wie möglich sein, um in den verfügbaren Raum zu passen. Von den Komponenten zur Leistungswandlung ist höchste Effizienz gefordert, um eine längere Laufzeit des Geräts und eine längere Notstromversorgung mit einer relativ kleinen Batterie zu ermöglichen. Da Bestandsverfolgungsgeräte im Allgemeinen in versiegelten Gehäusen untergebracht sind, ist es wichtig, die interne Wärmeentwicklung zu minimieren, die sich negativ auf die Lebensdauer und Zuverlässigkeit auswirken könnte. Folglich braucht es für das Stromversorgungssystem eine optimale Kombination aus Miniaturisierung und hohem Wirkungsgrad. LDO-Regler sind zwar kompakt, aber nicht die effizienteste Option.

Stattdessen können Entwickler auf synchrone DC/DC-Abwärtswandler zurückgreifen, die hohe Wandlungswirkungsgrade bieten. Typische Werte sind beispielsweise Wirkungsgrade von 72 % für die synchrone Abwärtswandlung von 24 Volt in 3,3 Volt bzw. 84 % für die Wandlung von 24 Volt in 5 Volt. Der Einsatz von synchronen DC/DC-Wandlern führt zu einer geringeren Wärmeabgabe, was wiederum die Zuverlässigkeit erhöht und die Möglichkeit bietet, eine kleinere Reservebatterie zu nutzen. Die Herausforderung besteht darin, eine kompakte Lösung mit dem für diese Anwendungen erforderlichen maximalen Nenneingang von 60 Volt DC zu entwickeln.

Synchron-Abwärtswandler-ICs und integrierte Module

Zur Erreichung der Designziele bezüglich Kompaktheit und Effizienz können Entwickler zwischen Lösungen auf der Basis von synchronen DC/DC-Wandler-ICs oder integrierten DC/DC-Wandlermodulen wählen. Eine typische Lösung eines Synchron-Abwärtswandler-IC mit 300 mA erfordert einen 2 Quadratmillimeter (mm²) großen IC, eine etwa 4 mm² große Induktivität und mehrere andere passive Komponenten, die eine Leiterplattenfläche von insgesamt 29,3 mm² beanspruchen. Alternativ dazu bieten die integrierten Synchron-Abwärtswandlermodule Himalaya μSLIC von Maxim Integrated eine 28 % kleinere Lösung, die nur 21 mm² Leiterplattenfläche belegt (Abbildung 2).

Abbildung 2: Im Vergleich zu einer herkömmlichen Abwärtswandler-Implementierung (links) benötigt ein Himalaya-μSLIC-Leistungsmodul (rechts) 28 % weniger Platz auf der Leiterplatte. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Vertikal strukturieren

Die Himalaya-μSLIC-Leistungsmodule integrieren die Induktivität und den Abwärtswandler-IC vertikal, was im Vergleich zu typischen planaren Lösungen zu einer erheblichen Verringerung der Leiterplattenfläche führt. Die μSLIC-Module sind für den Betrieb mit einem Eingang von bis zu 60 Volt DC und über einen Bereich von -40 °C bis +125 °C ausgelegt. Selbst bei vertikaler Integration sind sie immer noch flach und kompakt in einem 10-poligen Gehäuse mit 2,6 mm x 3 mm und einer Höhe von 1,5 mm (Abbildung 3).

Abbildung 3: In einem Himalaya-μSLIC-Leistungsmodul ist die Induktivität vertikal auf dem IC integriert, um den Platzbedarf auf der Leiterplatte zu minimieren. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Die hocheffizienten Synchron-Abwärtswandlermodule MAXM15062/MAXM15063/MAXM15064 enthalten einen integrierten Controller, MOSFETs, Kompensationskomponenten und eine Induktivität. Sie benötigen nur wenige externe Komponenten, um eine komplette DC/DC-Lösung mit hohem Wirkungsgrad zu realisieren (Abbildung 4). Diese Module können bis zu 300 mA liefern und erlauben den Betrieb über einen Eingangsspannungsbereich von 4,5 bis 60 Volt DC. Der MAXM15064 besitzt einen einstellbaren Ausgang von 0,9 bis 5 Volt DC, während der MAXM15062 und der MAXM15063 einen festen Ausgang von 3,3 bzw. 5 Volt DC bieten.

Abbildung 4: Der MAXM15064 benötigt nur drei Kondensatoren und zwei Widerstände für eine komplette Abwärtswandlerlösung. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Diese Module verfügen über eine spitzenstromgeregelte Architektur, die die Vorteile einer zyklusweisen Strombegrenzung, eines inhärenten Kurzschlussschutzes und eines guten Einschwingverhaltens mit sich bringt. Außerdem bieten sie eine feste Sanftanlaufzeit von 4,1 Millisekunden (ms) zur Reduzierung von Einschaltströmen. Konstrukteure können diese effizienten Abwärtswandlermodule nutzen, um den Entwicklungsprozess zu optimieren, Fertigungsrisiken zu verringern und die Markteinführung zu beschleunigen.

Evaluierungskits zeigen bewährte Designs

Das Evaluierungskit MAXM15064EVKIT# bietet ein bewährtes Design zur Evaluierung des Synchron-Abwärtswandlermoduls MAXM15064 (Abbildung 5). Es ist so programmiert, dass es 5 Volt DC für Lasten bis zu 300 mA liefert. Es verfügt über eine einstellbare Eingangsunterspannungsabschaltung, ein Open-Drain-RESET-Signal und einen wählbaren Pulsweitenmodulations- (PWM) oder Pulsfrequenzmodulationsmodus (PFM). Der PFM-Modus kann dazu genutzt werden, eine höhere Effizienz bei geringer Last zu erreichen. Das Board erfüllt Klasse B gemäß CISPR22 (EN55022) für leitungsgeführte und abgestrahlte Emissionen und bietet einen Wirkungsgrad von 78,68 % mit einem 48-Volt-Gleichspannungseingang und einem Ausgang von 200 mA.

Abbildung 5: Das MAXM15064EVKIT# ist ein Evaluierungskit für den MAXM15064 mit 5-Volt-DC-Ausgang, das bis zu 300 mA liefern kann. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Schutz-ICs

Entwickler können die einstellbaren Überspannungs- und Überstromschutz-ICs MAX176xx mit den Synchron-Abwärtswandlermodulen MAXM1506x für eine komplette Systemlösung kombinieren. Diese ICs befinden sich in einem 12-poligen TDFN-EP-Gehäuse und sind für den Schutz von Systemen vor negativen und positiven Eingangsspannungsfehlern von -65 bis +60 Volt ausgelegt. Sie verfügen über einen internen Feldeffekttransistor (FET) mit einem typischen Betriebswiderstand (R_ON) von nur 260 Milliohm (mΩ). Der Eingangsüberspannungsschutzbereich ist von 5,5 bis 60 Volt programmierbar, während der Eingangsunterspannungsschutzbereich von 4,5 bis 59 Volt einstellbar ist. Externe Widerstände werden verwendet, um die Schwellenwerte für die Überspannungsabschaltung (overvoltage lockout, OVLO) und die Unterspannungsabschaltung (undervoltage lockout, UVLO) am Eingang einzustellen.

Der Strombegrenzungsschutz ist mit einem Widerstand bis 1 Ampere (A) programmierbar, um Einschaltströme beim Laden großer Ausgangsfilterkondensatoren zu kontrollieren. Die Strombegrenzung kann in drei Modi implementiert werden: automatische Wiederholung, Blockierung oder kontinuierlich. Die Spannung am SETI-Pin ist proportional zum momentanen Strom und kann mit einem Analog/Digital-Wandler (A/D-Wandler) ausgelesen werden. Diese ICs besitzen einen Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +125 °C und verfügen über eine Übertemperaturabschaltung zum Schutz vor zu hohen Temperaturen. Eine optionale Überspannungsschutzkomponente kann in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen hohe Eingangsstoßströme zu erwarten sind (Abbildung 6). Diese Familie umfasst drei ICs:

• Der MAX17608 schützt vor Überspannung, Unterspannung und Verpolung.
• Der MAX17609 schützt vor Über- und Unterspannungen.
• Der MAX17610 schützt vor Verpolung.

Abbildung 6: Typische Integration der Schutz-ICs MAX17608 und MAX17609 mit dem optionalen Überspannungsschutz (links) für Anwendungen mit hohen Eingangsspannungen. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Evaluierungskits für Schutz-ICs

Mit MAX17608EVKIT, MAX17609EVKIT und MAX17610EVKIT können Entwickler die Leistung von MAX17608, MAX17609 bzw. MAX17910 evaluieren (Abbildung 7). Das MAX17608EVKIT zum Beispiel ist eine vollständig bestückte und getestete Leiterplatte zur Evaluierung des MAX17608. Sie ist für 4,5 bis 60 Volt und 1 A ausgelegt und verfügt über Unterspannungs-, Überspannungs- und Verpolungsschutz sowie ein Vorwärts-/Rückwärtsstrombegrenzung. Das MAX17608EVKIT kann so konfiguriert werden, dass es einen einstellbaren Unter- und Überspannungsschutz, drei Strombegrenzungsmodi und verschiedene Strombegrenzungsschwellenwerte bietet.

Abbildung 7: Evaluierungsboards wie das MAX17608EVKIT# für den MAX17608 sind auch für die Schutz-ICs MAX17609 und MAX17610 erhältlich. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Richtlinien für das Layout von PC-Platinen

Beim Layout mit MAX1506x und MAX176xx sollten einige grundlegende Richtlinien für ein erfolgreiches Design beachtet werden. So zum Beispiel bei Einsatz des MAX1506x:

• Die Eingangskondensatoren sollten so nah wie möglich an den Pins IN und GND liegen.
• Dagegen ist der Ausgangskondensator so nah wie möglich an den Pins OUT und GND zu platzieren.
• Die Widerstandsteiler für die Rückkopplung (Feedback) befinden sich günstigstenfalls so nah wie möglich am FB-Pin.
• Es sind kurze Leistungsleiterbahnen und Lastverbindungen zu verwenden.

Für den MAX176xx gilt:

• Alle Leiterbahnen so kurz wie möglich halten; dadurch werden parasitäre Induktivitäten minimiert und die Reaktionszeit des Schalters auf Ausgangskurzschlüsse optimiert.
• Ein- und Ausgangskondensatoren sollten nicht mehr als 5 mm vom Bauelement entfernt sein; näher ist besser.
• Die Pins IN und OUT müssen mit kurzen, breiten Leiterbahnen an den Stromversorgungsbus angebunden werden.
• Zur Verbesserung der thermischen Performance, insbesondere im Dauerstrombegrenzungsbetrieb, wird die Verwendung von Durchkontaktierungen zwischen dem freiliegenden Pad und der Masseebene empfohlen.

Abbildung 8 zeigt die beiden Bausteine MAXM17608 und MAXM15062 und ihre jeweilige Position in der Leistungskette.

Abbildung 8: Ein typisches Blockdiagramm für ein Bestandsortungsgerät, das zeigt, wo Synchron-Abwärtswandler und Schutz-ICs von Maxim Integrated eingesetzt werden. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Fazit:

Wie gezeigt, können Entwickler mit den hocheffizienten Synchron-Abwärtswandlermodulen MAX1506x und den Schutz-ICs MAX176xx eine komplette Stromversorgungs- und Schutzlösung für Fahrzeug-Ortungsgeräte realisieren. Wenn bei der Implementierung die wichtigsten bewährten Verfahren beachtet werden, kann die resultierende Lösung effizient, kompakt und robust sein und gleichzeitig die Risiken bei der Herstellung und die Probleme bei der Einhaltung von Vorschriften minimieren.

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