車輛跟蹤系統(tǒng)：隨時隨地，盡在掌控之中

作者/Steve Knoth ADI 公司 Power by Linear產(chǎn)品 高級產(chǎn)品市場工程師

　　車輛跟蹤系統(tǒng)非常適合監(jiān)視一輛汽車或整個車隊。跟蹤系統(tǒng)由自動跟蹤硬件和用于收集數(shù)據(jù)(如果需要的話，還有數(shù)據(jù)傳輸)的軟件組成。2015年，全球車隊管理市場的規(guī)模為80億美元，預(yù)計到2022年將超過220億美元，從2016年到2023年，年復(fù)合增長率將超過20%(數(shù)據(jù)來源：Global Market Insights)。拉美、中東和非洲對商用車輛的需求在上升，這對車輛跟蹤系統(tǒng)而言也是一種潛在的增長機會。在歐洲、北美等發(fā)達地區(qū)，預(yù)計物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)與車輛的集成會促使車輛跟蹤系統(tǒng)采用率的提高，盡管集成的高成本減緩了這一過程。此外，預(yù)計同一時期亞洲車輛跟蹤市場的規(guī)模將顯著增長，日本、印度和中國是起主要驅(qū)動作用的國家。這些新興市場之所以潛力巨大，主要是因為商用車輛眾多。同一時期，在拉美、中東和非洲，由于不同國家車輛采用率的上升，車輛跟蹤市場預(yù)計也會有適度增長(數(shù)據(jù)來源：Global Market Insights)。

　　1主動跟蹤器與被動跟蹤器

　　主動跟蹤器和被動跟蹤器收集數(shù)據(jù)的方式相同，也同樣準(zhǔn)確。這兩種類型跟蹤器的主要區(qū)別在于時間。主動跟蹤器也稱為“實時”跟蹤器，因為它們通過衛(wèi)星或蜂窩網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)，即時指示車輛位置。電腦屏幕可以實時顯示車輛的移動。因此，如果企業(yè)希望提高運送效率并了解員工現(xiàn)場駕駛情況，那么主動跟蹤是最佳選擇。主動式跟蹤器還具備一種“地理圍欄”能力(把這種功能想象為類似“力場”)，其可在汽車進入或離開某個預(yù)定位置時提供警示信號(信息來源：RMT公司)。另外，此類系統(tǒng)還能幫助防止車輛失竊或追回被盜車輛。當(dāng)然，主動GPS跟蹤設(shè)備比被動跟蹤設(shè)備貴，而且需要按月支付服務(wù)費。

　　另一方面，被動跟蹤器價格較低，但數(shù)據(jù)存儲量受限，不過它們更小，更易于隱藏。被動跟蹤器在設(shè)備上存儲信息，而不是向一個遠程地點發(fā)送數(shù)據(jù)。這種跟蹤器必須從車輛上拿下來，連到電腦上，才能查看其中存儲的信息。這類系統(tǒng)適合出于工作目的跟蹤里程的人，也適合希望減少車輛濫用的企業(yè)。另外，被動跟蹤器也常常用來監(jiān)察人員的行動(可以想象成偵探工作)。如果不需要即刻反饋，而是定期檢查設(shè)備數(shù)據(jù)，那么被動跟蹤器是個很好的選擇。

　　無論哪一種類型的跟蹤器，本質(zhì)上都是便攜式的，外形尺寸相對較小。因此需要電池電源，也需要備份功能以在萬一斷電時保存數(shù)據(jù)。由于給電池(通常是單節(jié)鋰離子電池)充電需要較高的汽車系統(tǒng)電壓和較大的電流，所以開關(guān)模式充電器是可取的，因為與線性電池充電IC相比，開關(guān)模式充電器充電效率較高，以功耗形式產(chǎn)生的熱量較少。大體上，嵌入式汽車應(yīng)用的輸入電壓可能高達30 V，有些甚至更高。在這些GPS跟蹤定位系統(tǒng)中，一個充電器和常見的12 V至單節(jié)鋰離子電池(典型值為3.7 V)、針對高得多的輸入電壓(在發(fā)生源于電池漂移之電壓瞬變的場合)的附加保護、以及某種類型的備份能力將是理想的配置。

　　2電池充電 IC 的設(shè)計問題

　　傳統(tǒng)的線性拓撲電池充電器往往因其緊湊的占板面積、簡單性和適中的成本而受到重視。不過，傳統(tǒng)線性充電器有一些缺點，包括輸入和電池電壓范圍受限、電流消耗相對較大、功耗過大(產(chǎn)生熱量)、充電終止算法受限以及效率相對較低。另一方面，開關(guān)模式電池充電器是很受歡迎的選擇，因為這類充電器具備拓撲靈活性，可對多種化學(xué)組成的電池充電，充電效率高，因此最大限度減少了熱量，可實現(xiàn)快速充電，另外還有很寬的工作電壓范圍。當(dāng)然，權(quán)衡總是存在的。開關(guān)充電器的缺點包括：成本相對較高、基于電感器的設(shè)計更加復(fù)雜、可能產(chǎn)生噪聲以及解決方案占板面積較大。由于以上提及的開關(guān)充電器的優(yōu)點，現(xiàn)代鉛酸電池、無線電源、能量收集、太陽能充電、遠程傳感器和嵌入式汽車應(yīng)用大多用開關(guān)模式充電器供電。

　　傳統(tǒng)上，跟蹤器中面向電池的備份電源管理系統(tǒng)由多個IC組成，包括一個高壓降壓型穩(wěn)壓器和一個電池充電器，還有所有分立式組件，這決不是一種緊湊的解決方案。因此，早期跟蹤系統(tǒng)的外形尺寸不是很緊湊。典型的跟蹤系統(tǒng)應(yīng)用使用汽車電池和單節(jié)鋰離子電池支持存儲和備份。

　　那么，為什么跟蹤系統(tǒng)需要集成度更高的電源管理解決方案呢?首先，必需減小跟蹤器自身的尺寸;在這個市場里，尺寸是越小越好。此外，還要求對電池進行安全的充電和為IC提供針對電壓瞬變的保護、需要擁有系統(tǒng)備份能力以應(yīng)對系統(tǒng)電源消失或發(fā)生故障的情況、以及為通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)芯片組相對較低的電源軌電壓(~4.45 V)供電。

　　3電源備份管理器

　　一個滿足前述要求、集成了電源備份管理器和充電器的解決方案需要具備以下特點：

　　· 同步降壓型拓撲以實現(xiàn)高效率;

　　· 很寬的輸入電壓范圍，以適合各種輸入電源，還要針對高壓瞬態(tài)提供保護;

　　· 適當(dāng)?shù)碾姵爻潆婋妷阂灾С諫PRS芯片組;

　　· 通過內(nèi)置充電終止(無需微處理器)簡便和自主地運行;

　　· PowerPath?控制——發(fā)生電源故障時，在輸入電源和備份電源之間實現(xiàn)無縫切換，如果發(fā)生輸入短路，這項控制功能還需要提供反向隔離;

　　· 提供備份電池，當(dāng)輸入消失或出故障時為系統(tǒng)負載供電;

　　· 由于空間限制，需要提供占板面積很小的扁平解決方案;

　　· 先進的封裝以改善熱性能和空間利用率。

　　為了滿足這些特定需求，ADI公司最近推出了LTC4091，這是一款完整的鋰離子電池備份管理系統(tǒng)，適合在主電源長時間故障時必須保持運行的3.45 V至4.45 V電源軌。LTC4091采用一個36 V單片降壓型轉(zhuǎn)換器，具自適應(yīng)輸出控制，以從降壓型轉(zhuǎn)換器輸出給系統(tǒng)負載供電，并支持高效率電池充電。當(dāng)外部電源可用時，該器件可提供高達2.5 A的總輸出電流，并可為單節(jié)4.1 V或4.2 V鋰離子電池提供高達1.5 A的充電電流。如果主輸入源出故障，不能再給負載供電，LTC4091就通過一個內(nèi)部理想二極管，從備份鋰離子電池向系統(tǒng)輸出負載提供高達4 A的電流，如果使用一個外部理想二極管晶體管，就可提供相對不受限制的電流。為了保護敏感的下游負載，最大輸出負載電壓限制為4.45 V。在電源出故障時，該器件的PowerPath?控制在輸入電源和備份電源之間提供無縫切換，通過短路輸入支持反向隔離。LTC4091的典型應(yīng)用包括車隊和財產(chǎn)跟蹤、汽車GPS數(shù)據(jù)記錄儀和遠程信息處理系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、以及通信和工業(yè)備份系統(tǒng)。

　　LTC4091提供60V絕對最大輸入過壓保護，因此該IC可以抵御很高的輸入電壓瞬態(tài)。LTC4091的電池充電器提供兩個為鋰離子電池備份應(yīng)用而優(yōu)化的、引腳可選的充電電壓：標(biāo)準(zhǔn)4.2 V電壓，以及可權(quán)衡電池運行時間和充電/放電周期壽命的4.1 V可選電壓。其他特點包括在啟動和過載時控制輸出電流的軟啟動和頻率折返以及涓流充電、自動充電、低電池電量預(yù)充電、充電定時器終止、熱量調(diào)節(jié)和一個用于溫度合格充電的熱敏電阻器引腳。

　　LTC4091 采用扁平 (0.75 mm) 22 引腳 3 mm x 6 mm DFN 封裝，提供背面金屬焊盤以實現(xiàn)卓越的熱性能。該器件在 –40 °C 至 125 °C 的溫度范圍內(nèi)運行。圖 1 顯示了該器件的典型應(yīng)用原理圖。

　　圖1 LTC4091 的典型應(yīng)用原理圖

　　AUTOMOTIVE INPUT：汽車輸入

　　6V TO 36V：6V 至 36V

　　2A MAX：2A 最大值

　　LOAD：負載

　　4.45V MAX：4.45V 最大值

　　Li-Ion BATTERY：鋰離子電池

　　4熱量調(diào)節(jié)保護

　　為了防止熱量過高損壞該IC或周圍組件，如果芯片溫度上升至約105 °C，內(nèi)部熱量反饋環(huán)路就自動降低設(shè)定的充電電流。熱量調(diào)節(jié)防止由于大功率運行或環(huán)境溫度太高導(dǎo)致LTC4091過熱，使用戶能夠突破給定電路板設(shè)計的功率處理能力之極限，而不會面臨損壞LTC4091或外部組件的風(fēng)險。熱量調(diào)節(jié)環(huán)路的好處是，充電電流可以按照實際條件而不是最差條件設(shè)定，同時確保電池充電器會在最差條件下自動降低電流。

　　5穿越汽車?yán)滠嚢l(fā)動情況

　　汽車應(yīng)用會經(jīng)歷電源電壓的大幅下降，例如在冷車發(fā)動情況下，電源電壓大幅下降可能導(dǎo)致高壓開關(guān)穩(wěn)壓器失去調(diào)節(jié)能力，導(dǎo)致過大的VC電壓，并因此在VIN恢復(fù)時導(dǎo)致過大的輸出過沖。為了防止從冷車發(fā)動情況恢復(fù)時出現(xiàn)過沖，有必要通過RUN/SS引腳使LTC4091的軟啟動電路復(fù)位。以下圖2示出了一款簡單電路的實例，該電路可自動檢測欠壓狀況并使RUN/SS引腳復(fù)位，重新接入軟啟動功能電路以及防止發(fā)生具有破壞性的輸出過沖。

　　圖2 冷車發(fā)動穿越電路

　　AUTOMOTIVE INPUT：汽車輸入

　　6結(jié)論

　　汽車和車隊跟蹤系統(tǒng)的采用率正在上升。現(xiàn)代跟蹤器的外形尺寸在減小，功能在增加，包括主動數(shù)據(jù)傳輸功能，以支持實時跟蹤。此外，還需要備份功能以及用來給系統(tǒng)中 GPRS 芯片組供電的較低電壓。ADI 的 Power by Linear? 產(chǎn)品 LTC4091是一款高壓、大電流降壓型電池充電器和 PowerPath 備份管理器，提供熱量調(diào)節(jié)和廣泛的保護，為車輛跟蹤應(yīng)用提供了一款緊湊、強大和靈活的單芯片解決方案，使設(shè)計師的任務(wù)更簡單、更容易了。