Como alimentar e proteger os dispositivos de rastreamento de ativos do veículo para garantir uma operação confiável

A logística moderna e os desafios da cadeia de suprimentos podem ser ajudados pela implementação de rastreamento de ativos de veículos em frotas de veículos comerciais para garantir eficiência e eficácia. No entanto, os projetistas de dispositivos de rastreamento de ativos de veículos precisam projetar para robustez, ambientes elétricos adversos, altos níveis de choque e vibração e amplas faixas de temperatura de operação. Ao mesmo tempo, eles ainda devem atender a requisitos crescentes de desempenho, eficiência e proteção em fatores de forma menores com faixas de tensão de entrada mais amplas — tipicamente 4,5 a 60 volts de corrente contínua (cc).

A importância da proteção não pode ser sobrestimada, dadas as condições operacionais e o valor do ativo. Normalmente deve incluir proteção para condições de sobrecorrente, sobretensão, subtensão e tensão reversa para garantir uma operação confiável e suportar altos níveis de disponibilidade.

Projetar a conversão de energia e os circuitos de proteção necessários para atingir estes requisitos operacionais a partir do zero pode ser um desafio. Embora isso possa levar a um projeto totalmente otimizado, também pode levar a problemas de atrasos no mercado, excessos de custos e de conformidade. Em vez disso, os projetistas podem recorrer aos módulos de energia prontos do conversor CC/CC e os CIs de proteção.

Este artigo analisa os requisitos de energia para dispositivos de rastreamento de ativos de veículos e descreve como é uma arquitetura típica de gerenciamento de energia e proteção para esses dispositivos. Em seguida, apresenta módulos conversores CC/CC do mundo real e CIs de proteção da Maxim Integrated Products que os projetistas podem utilizar nestas aplicações. Também são fornecidas diretrizes relacionadas com as placas de avaliação e o layout da placa de circuito impresso (PCI).

Requisitos de energia do rastreador de ativos do veículo

A bateria do veículo é a principal fonte de energia para dispositivos de rastreamento e normalmente é de 12 volts CC em veículos de passeio e 24 volts CC em caminhões comerciais. Os rastreadores de ativos são vendidos como um acessório de reposição e devem incluir uma bateria de reserva recarregável que é grande o suficiente para durar alguns dias. Além disso, estes dispositivos requerem proteção contra condições transitórias e de falhas no barramento de energia do veículo, e normalmente incluem uma combinação de conversores abaixadores CC/CC e reguladores de baixa queda de tensão (LDOs) para alimentar os elementos do sistema (Figura 1).

Figura 1: O sistema de energia em um dispositivo típico de rastreamento de ativos/gerenciamento de frotas inclui dois ou mais conversores abaixadores CC/CC, um LDO e um CI de proteção. (Fonte da imagem: Maxim Integrated)

Como eles são instalados como item de reposição, os dispositivos de rastreamento de ativos devem ser o menor possível para caber nos espaços disponíveis. Os componentes de conversão de energia precisam ser altamente eficientes para permitir uma vida útil mais longa do dispositivo e uma reserva mais longa de uma bateria relativamente pequena. Como os dispositivos de rastreamento de ativos geralmente estão em invólucros selados, é importante minimizar a geração interna de calor que poderia afetar negativamente a vida útil e a confiabilidade. Como resultado, o sistema de energia deve proporcionar uma combinação ideal de miniaturização e alta eficiência. Embora os LDOs sejam compactos, eles não são a opção mais eficiente.

Em vez disso, os projetistas podem recorrer a conversores buck CC/CC síncronos que proporcionam altas eficiências de conversão. Por exemplo, 72% de eficiência é um valor típico para uma conversão buck síncrona de 24-volts para 3,3-volts, e 84% de eficiência para uma conversão de 24-volts para 5-volts. O uso de conversores CC/CC síncronos resulta em menor dissipação térmica, contribuindo para maior confiabilidade e a oportunidade de usar uma bateria reserva menor. O desafio é projetar uma solução compacta comum dimensionamento de entrada máxima de 60 volts CC requerida nestas aplicações.

CIs buck síncronos vs. módulos integrados

Para alcançar as metas de projeto para tamanho pequeno e eficiência, os projetistas podem escolher entre soluções baseadas em CIs conversores CC/CC síncronos ou módulos conversores CC/CC integrados. Uma solução típica de CI buck síncrono de 300 mA requer um CI de 2 milímetros quadrados (mm²), um indutor de cerca de 4 mm², mais vários outros componentes passivos, ocupando um total de 29,3 mm² de área da PCI. Alternativamente, os módulos buck síncronos integrados Himalaya μSLIC da Maxim Integrated fornecem uma solução que é 28% menor, ocupando apenas 21 mm² de área da PCI (Figura 2).

Figura 2: Em comparação com a implementação de um conversor buck convencional (esquerda), uma solução do módulo de potência Himalaia μSLIC (direita) ocupa 28% menos espaço na placa. (Fonte da imagem: Maxim Integrated)

Verticalização

Os módulos de potência Himalaya μSLIC integram verticalmente o indutor e o CI conversor buck, resultando em uma redução significativa no espaço da PCI em comparação com as soluções planares típicas. Os módulos μSLIC são dimensionados para operação de até 60 volts de entrada CC, e de -40 a +125°C. Mesmo com integração vertical, eles ainda são de perfil baixo e compactos em uma invólucro de 10 pinos, 2,6 x 3 x 1,5 mm de altura (Figura 3).

Figura 3: Em um módulo de potência Himalaya μSLIC, o indutor é integrado verticalmente no CI para minimizar o espaço da placa. (Fonte da imagem: Maxim Integrated)

Os módulos buck síncronos de alta eficiência MAXM15062/MAXM15063/MAXM15064 incluem um controlador integrado, MOSFETs, componentes de compensação e um indutor. Eles requerem apenas alguns poucos componentes externos para implementar uma solução CC/CC completa de alta eficiência (Figura 4). Estes módulos podem fornecer até 300 mA e operar em uma faixa de tensão de entrada de 4,5 a 60 volts CC. O MAXM15064 tem uma saída ajustável de 0,9 a 5 volts CC, enquanto o MAXM15062 e o MAXM15063 têm saídas fixas de 3,3 e 5 volts CC, respectivamente.

Figura 4: O MAXM15064 requer apenas três capacitores e dois resistores para fazer uma solução completa de conversor buck. (Fonte da imagem: Maxim Integrated)

Estes módulos têm uma arquitetura de controle em modo de pico de corrente que oferece as vantagens de limitação de corrente ciclo a ciclo, proteção inerente de curto-circuito e boa resposta transitória. Eles têm um tempo fixo de partida suave de 4,1 milissegundos (ms) para reduzir as correntes de irrupção. Os projetistas podem recorrer a estes eficientes módulos conversores buck para agilizar o processo de projeto, reduzir os riscos de fabricação e acelerar o tempo de colocação no mercado.

Os kits de avaliação mostram projetos comprovados

O kit de avaliação MAXM15064EVKIT# fornece um projeto comprovado para avaliar o módulo buck síncrono MAXM15064 (Figura 5). Está programado para fornecer 5 volts CC para cargas de até 300 mA. Ele apresenta um bloqueio de subtensão de entrada ajustável, sinal RESET de dreno aberto, e uma modulação de largura de pulso (PWM) selecionável ou modo de modulação de frequência de pulso (PFM). O modo PFM pode ser usado para proporcionar maior eficiência para cargas leves. Ele está em conformidade com CISPR22 (EN55022) Classe B de emissões conduzidas e irradiadas e fornece 78,68% de eficiência com uma entrada de 48 volts CC e uma saída de 200 mA.

Figura 5: O MAXM15064EVKIT# é um kit de avaliação com saída CC de 5 volts para o MAXM15064 que pode fornecer até 300 mA. (Fonte da imagem: Maxim Integrated)

CIs de proteção

Os projetistas podem usar os CIs de proteção de sobretensão e sobrecorrente ajustáveis MAX176xx, junto com os módulos buck síncronos MAXM1506x para uma solução completa do sistema. Estes CIs estão em um invólucro TDFN-EP de 12 pinos e são projetados para proteger os sistemas contra falhas de tensão de entrada negativas e positivas desde -65 a +60 volts. Eles têm um transistor de efeito de campo (FET) interno com uma resistência de condução típica (R_ON) de apenas 260 miliohms (mΩ). A faixa de proteção de sobretensão de entrada é programável de 5,5 a 60 volts, enquanto a faixa de proteção de subtensão de entrada é ajustável de 4,5 a 59 volts. Os resistores externos são usados para definir os limites do bloqueio de sobretensão de entrada (OVLO) e do bloqueio de subtensão de entrada (UVLO).

A proteção do limite de corrente é programável com um resistor de até 1 ampere (A) para ajudar a controlar as correntes de irrupção ao carregar grandes capacitores de filtro na saída. O limite de corrente pode ser implementado em três modos: repetição automática, travamento ou contínuo. A tensão no pino SETI é proporcional à corrente instantânea e pode ser lida por um conversor analógico-digital (ADC). Estes CIs têm uma faixa de temperatura operacional de -40 a +125°C e incluem desligamento térmico para proteger contra temperaturas excessivas. Um dispositivo de proteção contra sobretensão opcional pode ser usado em aplicações que antecipam altas correntes de surto (Figura 6). Existem três CIs na família:

• O MAX17608 protege contra sobretensão, subtensão e tensão reversa.
• O MAX17609 protege contra sobretensão e subtensão.
• O MAX17610 protege contra tensão reversa.

Figura 6: Integração típica dos CIs de proteção MAX17608 e MAX17609 mostrando a proteção contra sobretensão opcional (esquerda) para aplicações de altos surtos de entrada. (Fonte da imagem: Maxim Integrated)

Kits de avaliação para CIs de proteção

O MAX17608EVKIT, o MAX17609EVKIT, e o MAX17610EVKIT permitem aos projetistas avaliar o desempenho do MAX17608, MAX17609 e MAX17910, respectivamente (Figura 7). Por exemplo, o MAX17608EVKIT é uma placa de circuito totalmente montada e testada para avaliar o MAX17608. É dimensionada para 4,5 a 60 volts e 1 A, com proteção contra subtensão, sobretensão e tensão reversa e limite de corrente de direta/reversa. O MAX17608EVKIT pode ser configurado para demonstrar proteção ajustável de subtensão e sobretensão, três modos de limite de corrente e vários limites de corrente.

Figura 7: Placas de avaliação como o MAX17608EVKIT# para o MAX17608, também estão disponíveis para os CIs de proteção MAX17609 e MAX17610. (Fonte da imagem: Maxim Integrated)

Diretrizes de layout de PCI

Ao fazer o layout do MAX1506x e MAX176xx, algumas diretrizes básicas devem ser seguidas para um projeto bem sucedido. Por exemplo, para o MAX1506x:

• Os capacitores de entrada devem estar o mais próximo possível dos pinos IN e GND.
• O capacitor de saída deve estar o mais próximo possível dos pinos OUT e GND.
• Os divisores de resistores de realimentação (FB) devem estar o mais próximo possível do pino FB.
• Usar trilhas curtas de alimentação e conexões de carga.

Para o MAX176xx:

• Mantenha todas as trilhas tão curtas quanto possível; isto minimiza qualquer indutância parasitária e otimiza o tempo de resposta do comutador em caso de curto-circuito de saída.
• Os capacitores de entrada e saída não devem estar a mais de 5 mm de distância do dispositivo; mais perto é melhor.
• Os pinos IN e OUT devem ser conectados ao barramento de energia com trilhas curtas e largas.
• O uso de vias térmicas desde o eletrodo exposto até o plano terra é recomendado para melhorar o desempenho térmico, especialmente para o modo limite de corrente contínua.

Para referência, a Figura 8 mostra tanto o MAXM17608 como o MAXM15062 e suas respectivas posições no diagrama de energia.

Figura 8: Um típico diagrama de blocos de dispositivos de rastreamento de ativos mostrando onde os conversores buck síncronos e os CIs de proteção do Maxim Integrated se encaixam. (Fonte da imagem: Maxim Integrated)

Conclusão

Como mostrado, os projetistas podem recorrer aos módulos buck síncronos de alta eficiência MAX1506x e aos CIs de proteção MAX176xx para implementar uma solução completa de energia e proteção para dispositivos de rastreamento de ativos de veículos. Seguindo as melhores práticas essenciais durante a implementação, a solução resultante pode ser eficiente, compacta e robusta, ao mesmo tempo em que minimiza os riscos de fabricação e as questões de conformidade.

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