車(chē)輛跟蹤系統：隨時(shí)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(chǎng)工程師

　　車(chē)輛跟蹤系統非常適合監視一輛汽車(chē)或整個(gè)車(chē)隊。跟蹤系統由自動(dòng)跟蹤硬件和用于收集數據(如果需要的話(huà)，還有數據傳輸)的軟件組成。2015年，全球車(chē)隊管理市場(chǎng)的規模為80億美元，預計到2022年將超過(guò)220億美元，從2016年到2023年，年復合增長(cháng)率將超過(guò)20%(數據來(lái)源：Global Market Insights)。拉美、中東和非洲對商用車(chē)輛的需求在上升，這對車(chē)輛跟蹤系統而言也是一種潛在的增長(cháng)機會(huì )。在歐洲、北美等發(fā)達地區，預計物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)與車(chē)輛的集成會(huì )促使車(chē)輛跟蹤系統采用率的提高，盡管集成的高成本減緩了這一過(guò)程。此外，預計同一時(shí)期亞洲車(chē)輛跟蹤市場(chǎng)的規模將顯著(zhù)增長(cháng)，日本、印度和中國是起主要驅動(dòng)作用的國家。這些新興市場(chǎng)之所以潛力巨大，主要是因為商用車(chē)輛眾多。同一時(shí)期，在拉美、中東和非洲，由于不同國家車(chē)輛采用率的上升，車(chē)輛跟蹤市場(chǎng)預計也會(huì )有適度增長(cháng)(數據來(lái)源：Global Market Insights)。

　　1主動(dòng)跟蹤器與被動(dòng)跟蹤器

　　主動(dòng)跟蹤器和被動(dòng)跟蹤器收集數據的方式相同，也同樣準確。這兩種類(lèi)型跟蹤器的主要區別在于時(shí)間。主動(dòng)跟蹤器也稱(chēng)為“實(shí)時(shí)”跟蹤器，因為它們通過(guò)衛星或蜂窩網(wǎng)絡(luò )發(fā)送數據，即時(shí)指示車(chē)輛位置。電腦屏幕可以實(shí)時(shí)顯示車(chē)輛的移動(dòng)。因此，如果企業(yè)希望提高運送效率并了解員工現場(chǎng)駕駛情況，那么主動(dòng)跟蹤是最佳選擇。主動(dòng)式跟蹤器還具備一種“地理圍欄”能力(把這種功能想象為類(lèi)似“力場(chǎng)”)，其可在汽車(chē)進(jìn)入或離開(kāi)某個(gè)預定位置時(shí)提供警示信號(信息來(lái)源：RMT公司)。另外，此類(lèi)系統還能幫助防止車(chē)輛失竊或追回被盜車(chē)輛。當然，主動(dòng)GPS跟蹤設備比被動(dòng)跟蹤設備貴，而且需要按月支付服務(wù)費。

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

　　無(wú)論哪一種類(lèi)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(wàn)一斷電時(shí)保存數據。由于給電池(通常是單節鋰離子電池)充電需要較高的汽車(chē)系統電壓和較大的電流，所以開(kāi)關(guān)模式充電器是可取的，因為與線(xiàn)性電池充電IC相比，開(kāi)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(chē)應用的輸入電壓可能高達30 V，有些甚至更高。在這些GPS跟蹤定位系統中，一個(gè)充電器和常見(jiàn)的12 V至單節鋰離子電池(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(chǎng)合)的附加保護、以及某種類(lèi)型的備份能力將是理想的配置。

　　2電池充電 IC 的設計問(wèn)題

　　傳統的線(xiàn)性拓撲電池充電器往往因其緊湊的占板面積、簡(jiǎn)單性和適中的成本而受到重視。不過(guò)，傳統線(xiàn)性充電器有一些缺點(diǎn)，包括輸入和電池電壓范圍受限、電流消耗相對較大、功耗過(guò)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(kāi)關(guān)模式電池充電器是很受歡迎的選擇，因為這類(lèi)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(shí)現快速充電，另外還有很寬的工作電壓范圍。當然，權衡總是存在的。開(kāi)關(guān)充電器的缺點(diǎn)包括：成本相對較高、基于電感器的設計更加復雜、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(kāi)關(guān)充電器的優(yōu)點(diǎn)，現代鉛酸電池、無(wú)線(xiàn)電源、能量收集、太陽(yáng)能充電、遠程傳感器和嵌入式汽車(chē)應用大多用開(kāi)關(guān)模式充電器供電。

　　傳統上，跟蹤器中面向電池的備份電源管理系統由多個(gè)IC組成，包括一個(gè)高壓降壓型穩壓器和一個(gè)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，早期跟蹤系統的外形尺寸不是很緊湊。典型的跟蹤系統應用使用汽車(chē)電池和單節鋰離子電池支持存儲和備份。

　　那么，為什么跟蹤系統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(gè)市場(chǎng)里，尺寸是越小越好。此外，還要求對電池進(jìn)行安全的充電和為IC提供針對電壓瞬變的保護、需要擁有系統備份能力以應對系統電源消失或發(fā)生故障的情況、以及為通用分組無(wú)線(xiàn)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(gè)滿(mǎn)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(diǎn)：

　　· 同步降壓型拓撲以實(shí)現高效率;

　　· 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;

　　· 適當的電池充電電壓以支持GPRS芯片組;

　　· 通過(guò)內置充電終止(無(wú)需微處理器)簡(jiǎn)便和自主地運行;

　　· PowerPath?控制——發(fā)生電源故障時(shí)，在輸入電源和備份電源之間實(shí)現無(wú)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，當輸入消失或出故障時(shí)為系統負載供電;

　　· 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(jìn)的封裝以改善熱性能和空間利用率。

　　為了滿(mǎn)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，適合在主電源長(cháng)時(shí)間故障時(shí)必須保持運行的3.45 V至4.45 V電源軌。LTC4091采用一個(gè)36 V單片降壓型轉換器，具自適應輸出控制，以從降壓型轉換器輸出給系統負載供電，并支持高效率電池充電。當外部電源可用時(shí)，該器件可提供高達2.5 A的總輸出電流，并可為單節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(guò)一個(gè)內部理想二極管，從備份鋰離子電池向系統輸出負載提供高達4 A的電流，如果使用一個(gè)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(shí)，該器件的PowerPath?控制在輸入電源和備份電源之間提供無(wú)縫切換，通過(guò)短路輸入支持反向隔離。LTC4091的典型應用包括車(chē)隊和財產(chǎn)跟蹤、汽車(chē)GPS數據記錄儀和遠程信息處理系統、安防系統、以及通信和工業(yè)備份系統。

　　LTC4091提供60V絕對最大輸入過(guò)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(gè)為鋰離子電池備份應用而優(yōu)化的、引腳可選的充電電壓：標準4.2 V電壓，以及可權衡電池運行時(shí)間和充電/放電周期壽命的4.1 V可選電壓。其他特點(diǎn)包括在啟動(dòng)和過(guò)載時(shí)控制輸出電流的軟啟動(dòng)和頻率折返以及涓流充電、自動(dòng)充電、低電池電量預充電、充電定時(shí)器終止、熱量調節和一個(gè)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(pán)以實(shí)現卓越的熱性能。該器件在 –40 °C 至 125 °C 的溫度范圍內運行。圖 1 顯示了該器件的典型應用原理圖。

　　圖1 LTC4091 的典型應用原理圖

　　AUTOMOTIVE INPUT：汽車(chē)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熱量調節保護

　　為了防止熱量過(guò)高損壞該IC或周?chē)M件，如果芯片溫度上升至約105 °C，內部熱量反饋環(huán)路就自動(dòng)降低設定的充電電流。熱量調節防止由于大功率運行或環(huán)境溫度太高導致LTC4091過(guò)熱，使用戶(hù)能夠突破給定電路板設計的功率處理能力之極限，而不會(huì )面臨損壞LTC4091或外部組件的風(fēng)險。熱量調節環(huán)路的好處是，充電電流可以按照實(shí)際條件而不是最差條件設定，同時(shí)確保電池充電器會(huì )在最差條件下自動(dòng)降低電流。

　　5穿越汽車(chē)冷車(chē)發(fā)動(dòng)情況

　　汽車(chē)應用會(huì )經(jīng)歷電源電壓的大幅下降，例如在冷車(chē)發(fā)動(dòng)情況下，電源電壓大幅下降可能導致高壓開(kāi)關(guān)穩壓器失去調節能力，導致過(guò)大的VC電壓，并因此在VIN恢復時(shí)導致過(guò)大的輸出過(guò)沖。為了防止從冷車(chē)發(fā)動(dòng)情況恢復時(shí)出現過(guò)沖，有必要通過(guò)RUN/SS引腳使LTC4091的軟啟動(dòng)電路復位。以下圖2示出了一款簡(jiǎn)單電路的實(shí)例，該電路可自動(dòng)檢測欠壓狀況并使RUN/SS引腳復位，重新接入軟啟動(dòng)功能電路以及防止發(fā)生具有破壞性的輸出過(guò)沖。

　　圖2 冷車(chē)發(fā)動(dòng)穿越電路

　　AUTOMOTIVE INPUT：汽車(chē)輸入

　　6結論

　　汽車(chē)和車(chē)隊跟蹤系統的采用率正在上升?，F代跟蹤器的外形尺寸在減小，功能在增加，包括主動(dòng)數據傳輸功能，以支持實(shí)時(shí)跟蹤。此外，還需要備份功能以及用來(lái)給系統中 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，提供熱量調節和廣泛的保護，為車(chē)輛跟蹤應用提供了一款緊湊、強大和靈活的單芯片解決方案，使設計師的任務(wù)更簡(jiǎn)單、更容易了。