Come alimentare e proteggere i dispositivi per la tracciabilità dei veicoli per assicurarne il funzionamento affidabile

Le moderne sfide di logistica e supply chain possono essere affrontate implementando la tracciabilità dei mezzi nelle flotte di veicoli commerciali per garantire efficienza ed efficacia. Tuttavia, i progettisti di dispositivi per la tracciabilità dei veicoli devono essere in grado di assicurare robustezza, ambienti elettrici difficili, alti livelli di urti e vibrazioni e ampi intervalli di temperatura di funzionamento. Allo stesso tempo, devono soddisfare requisiti di prestazioni, efficienza e protezione sempre più elevati in fattori di forma più compatti e con intervalli di tensione di ingresso più ampi, tipicamente da 4,5 a 60 V c.c..

La protezione è di importanza imprescindibile, date le condizioni operative e il valore degli asset. Deve includere protezione per le condizioni di sovracorrente, sovratensione, sottotensione e tensione inversa per garantire un funzionamento affidabile e supportare alti livelli di disponibilità.

Progettare da zero la conversione di potenza e i circuiti di protezione necessari per ottenere questi requisiti operativi può essere difficile. Se da un lato ciò può portare a una progettazione completamente ottimizzata, dall'altro può comportare ritardi nel time-to-market, sforamenti dei costi e problemi di conformità. In alternativa i progettisti possono prendere in considerazione moduli di conversione c.c./c.c. e CI di protezione disponibili di serie.

Questo articolo esamina i requisiti di alimentazione dei dispositivi per la tracciabilità dei veicoli e illustra l'architettura tipica di gestione e protezione dell'alimentazione per questi dispositivi. Presenta quindi moduli di conversione c.c./c.c. e CI di protezione di Maxim Integrated Products che i progettisti possono utilizzare in queste applicazioni. Vengono inoltre fornite le relative schede di valutazione e le linee guida per il layout delle schede a circuiti stampati (PCB).

Requisiti di alimentazione dei dispositivi per la tracciabilità dei veicoli

La batteria del veicolo è la fonte di alimentazione primaria dei dispositivi per la tracciabilità e di solito è da 12 V c.c. nei veicoli consumer e 24 V c.c. nei veicoli commerciali. I dispositivi per la tracciabilità delle risorse sono venduti come accessori aftermarket e solitamente includono una batteria ausiliaria ricaricabile abbastanza grande da durare alcuni giorni. Inoltre, questi dispositivi richiedono la protezione da condizioni transitorie e di guasto sul bus di alimentazione del veicolo e di solito includono una combinazione di convertitori c.c./c.c. step-down e regolatori a bassa caduta di tensione (LDO) per alimentare gli elementi del sistema (Figura 1).

Figura 1: Il sistema di alimentazione di un tipico dispositivo per la tracciabilità delle risorse/gestione delle flotte comprende due o più convertitori c.c./c.c. step-down, un LDO e un CI di protezione. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Poiché vengono installati come elementi aftermarket, i dispositivi per la tracciabilità dei veicoli devono essere il più piccoli possibile per adattarsi agli spazi disponibili. I componenti di conversione dell'alimentazione devono essere altamente efficienti per consentire una maggiore durata del dispositivo e offrire alimentazione ausiliaria di maggior durata da una batteria relativamente piccola. Poiché i dispositivi per la tracciabilità delle risorse sono generalmente contenuti in involucri sigillati, è importante ridurre al minimo la generazione di calore interno che potrebbe influire negativamente sulla durata e sull'affidabilità. Di conseguenza, il sistema di alimentazione deve fornire una combinazione ottimale di miniaturizzazione e alta efficienza. Sebbene gli LDO siano compatti, non sono l'opzione più efficiente.

In alternativa i progettisti possono prendere in considerazione i convertitori buck c.c./c.c. sincroni che offrono alta efficienza di conversione. Ad esempio, un'efficienza del 72% è un valore tipico per una conversione buck sincrona da 24 V a 3,3 V e l'84% per una conversione da 24 V a 5 V. L'uso di convertitori c.c./c.c. sincroni comporta una minore dissipazione termica, contribuendo a una maggiore affidabilità e alla possibilità di utilizzare una batteria ausiliaria più compatta. La sfida consiste nel progettare una soluzione compatta con l'ingresso massimo di 60 V c.c. richiesto in queste applicazioni.

CI buck sincroni e moduli integrati a confronto

Per raggiungere gli obiettivi in termini di dimensioni compatte ed efficienza, i progettisti possono scegliere tra soluzioni basate su convertitori c.c./c.c. sincroni in CI e moduli di conversione c.c./c.c. integrati. Una tipica soluzione di CI buck sincrono da 300 mA richiede un CI di 2 mm², un induttore di circa 4 mm² e diversi altri componenti passivi, per un totale di 29,3 mm² di superficie della PCB. In alternativa, i moduli buck sincroni integrati μSLIC Himalaya di Maxim Integrated offrono una soluzione più piccola del 28%, con un ingombro di appena 21 mm² di superficie della PCB (Figura 2).

Figura 2: Rispetto all'implementazione di un convertitore buck convenzionale (a sinistra), la soluzione con modulo di alimentazione μSLIC Himalaya (a destra) ha un ingombro sulla PCB inferiore del 28%. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Integrazione verticale

I moduli di alimentazione μSLIC Himalaya integrano in verticale l'induttore e il convertitore buck in CI, con una significativa riduzione dell'ingombro su PCB rispetto alle tipiche soluzioni planari. I moduli μSLIC sono progettati per funzionare fino a 60 V in ingresso c.c. e da -40 a +125 °C. Anche con l'integrazione verticale, mantengono un profilo ribassato e dimensioni compatte in un contenitore a 10 pin di 2,6 x 3 x 1,5 mm di altezza (Figura 3).

Figura 3: In un modulo di alimentazione μSLIC Himalaya, l'induttore è integrato in verticale sul CI per ridurre al minimo l'ingombro sulla scheda. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

I moduli buck sincroni ad alta efficienza MAXM15062/MAXM15063/MAXM15064 comprendono un controller integrato, MOSFET, componenti di compensazione e un induttore. Richiedono solo pochi componenti esterni per implementare una soluzione c.c./c.c. completa ad alta efficienza (Figura 4). Questi moduli possono erogare fino a 300 mA e funzionare con una tensione di ingresso compresa tra 4,5 e 60 V c.c.. MAXM15064 ha un'uscita regolabile da 0,9 a 5 V c.c., mentre i modelli MAXM15062 e MAXM15063 hanno uscite fisse rispettivamente di 3,3 e 5 V c.c..

Figura 4: MAXM15064 richiede solo tre condensatori e due resistori per realizzare una soluzione di convertitore buck completa. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Questi moduli hanno un'architettura di controllo della modalità di corrente di picco che offre i vantaggi della limitazione di corrente ciclo per ciclo, della protezione intrinseca dai cortocircuiti e di una buona risposta ai transitori. Hanno un tempo di avvio graduale fisso di 4,1 ms per ridurre le correnti di inserzione. I progettisti possono affidarsi a questi efficienti moduli di conversione buck per snellire il processo di progettazione, ridurre i rischi di produzione e abbattere il time-to-market.

I kit di valutazione mostrano progetti collaudati

Il kit di valutazione MAXM15064EVKIT# fornisce un progetto collaudato per valutare il modulo buck sincrono MAXM15064 (Figura 5). È programmato per erogare 5 V c.c. per carichi fino a 300 mA. È dotato di un blocco regolabile della sottotensione di ingresso, di un segnale di RESET a drain aperto e di una modalità di modulazione della larghezza di impulso (PWM) o della frequenza di impulso (PFM) selezionabile. La modalità PFM può essere utilizzata per ottenere una maggiore efficienza a basso carico. È conforme alla norma CISPR22 (EN55022) Classe B per le emissioni condotte e irradiate e offre un'efficienza del 78,68% con un ingresso a 48 V c.c. e un'uscita di 200 mA.

Figura 5: MAXM15064EVKIT# è un kit di valutazione con uscita a 5 V c.c. per MAXM15064 che può erogare fino a 300 mA. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

CI di protezione

I progettisti possono utilizzare i CI di protezione da sovratensione e sovracorrente regolabili MAX176xx insieme ai moduli buck sincroni MAXM1506x per ottenere una soluzione di sistema completa. Questi CI sono disponibili in un contenitore TDFN-EP a 12 pin e sono progettati per proteggere i sistemi da guasti di tensione negativa e positiva in ingresso da -65 a +60 V. Hanno un transistor a effetto di campo (FET) interno con una resistenza nello stato On (RDSon) di appena 260 mΩ. L'intervallo di protezione da sovratensione in ingresso è programmabile da 5,5 a 60 V, mentre l'intervallo di protezione da sottotensione in ingresso è regolabile da 4,5 a 59 V. I resistori esterni sono utilizzati per impostare le soglie di blocco per sovratensione (OVLO) e sottotensione (UVLO) in ingresso.

La protezione del limite di corrente è programmabile con un resistore fino a 1 A per controllare le correnti di inserzione durante la carica di grandi condensatori di filtraggio in uscita. Il limite di corrente può essere implementato in tre modalità: tentativo automatico, a sgancio o continuo. La tensione sul pin SETI è proporzionale alla corrente istantanea e può essere letta da un convertitore analogico/digitale (ADC). Questi CI hanno un intervallo di temperatura di funzionamento compreso tra -40 e +125 °C e includono l'arresto termico per la protezione dalle temperature eccessive. Nelle applicazioni che prevedono alte sovracorrenti in ingresso è possibile utilizzare un soppressore di sovratensioni opzionale (Figura 6). La famiglia comprende tre CI:

• MAX17608 protegge da sovratensioni, sottotensioni e tensione inversa.
• MAX17609 protegge da sovratensioni e sottotensioni.
• MAX17610 protegge da tensione inversa.

Figura 6: Integrazione tipica dei CI di protezione MAX17608 e MAX17609, con il soppressore di sovratensioni opzionale (a sinistra) per applicazioni con alte sovracorrenti in ingresso. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Kit di valutazione per CI di protezione

MAX17608EVKIT, MAX17609EVKIT e MAX17610EVKIT consentono ai progettisti di valutare le prestazioni rispettivamente di MAX17608, MAX17609 e MAX17910 (Figura 7). Ad esempio, MAX17608EVKIT è una scheda di circuito completamente assemblata e testata per la valutazione di MAX17608. È classificato per una tensione da 4,5 a 60 V e 1 A, con protezione da sottotensione, sovratensione, tensione inversa e limite di corrente diretta/inversa. MAX17608EVKIT può essere configurato per dimostrare la protezione da sottotensione e sovratensione regolabile, tre modalità di limitazione della corrente e varie soglie di limitazione della corrente.

Figura 7: Come MAX17608EVKIT# per MAX17608, sono disponibili schede di valutazione anche per i CI di protezione MAX17609 e MAX17610. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Linee guida per il layout della PCB

Quando si utilizzano MAX1506x e MAX176xx, è necessario attenersi ad alcune linee guida di base per ottenere un progetto di successo. Ad esempio, per MAX1506x:

• I condensatori di ingresso devono essere il più vicino possibile ai pin IN e GND.
• Il condensatore di uscita deve essere il più vicino possibile ai pin OUT e GND.
• I divisori resistivi di retroazione (FB) devono essere il più vicino possibile al pin FB.
• Utilizzare connessioni di carico e tracce di alimentazione corte.

Per MAX176xx:

• Mantenere tutte le tracce il più corte possibile; in questo modo si riducono al minimo le induttanze parassite e si ottimizza il tempo di risposta dell'interruttore ai cortocircuiti in uscita.
• I condensatori di ingresso e di uscita non devono trovarsi a più di 5 mm di distanza dal dispositivo; meglio se più vicini.
• I pin IN e OUT devono essere collegati al bus di alimentazione con tracce corte e larghe.
• Si raccomanda l'uso di fori di via termici dalla piazzola esposta al piano di massa per migliorare le prestazioni termiche, in particolare per la modalità di limitazione della corrente continua.

Come riferimento, la Figura 8 mostra MAXM17608 e MAXM15062 e le rispettive posizioni nella catena di alimentazione.

Figura 8: Diagramma a blocchi di un tipico dispositivo per la tracciabilità delle risorse che mostra la posizione dei convertitori buck sincroni e dei CI di protezione di Maxim Integrated. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Conclusione

Come mostrato, i progettisti possono prendere in considerazione i moduli buck sincroni ad alta efficienza MAX1506x e i CI di protezione MAX176xx per implementare una soluzione completa di alimentazione e protezione per i dispositivi per la tracciabilità dei veicoli. Seguendo le best practice fondamentali durante l'implementazione, la soluzione risultante può essere efficiente, compatta e robusta, al contempo riducendo al minimo i rischi di produzione e i problemi di conformità.

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