拉丁美洲、中東和非洲對於商用車輛的需求不斷上升中,這對車輛追蹤系統而言,也促成一種潛在的成長機會。在歐洲、北美等已開發地區,預計物聯網(IoT)技術與車輛的整合將會促使車輛追蹤系統採用率的提高,儘管整合的高成本減緩了此過程。此外,預計同一時期亞洲車輛追蹤市場的規模將顯著成長,日本、印度和中國是發揮主要驅動作用的國家。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,由於不同國家車輛採用率的上升,車輛追蹤市場預計也會有適度成長(資料來源:Global Market Insights)。

主動追蹤器與被動追蹤器

主動追蹤器和被動追蹤器收集資料的方式相同,也同樣準確。這兩種類型追蹤器的主要區別在於時間。主動追蹤器也稱為「即時」追蹤器,因為它們是透過衛星或蜂巢式網路發送資料,即時指示車輛位置,電腦螢幕可以即時顯示車輛的移動。因此,如果企業希望提高運送效率並瞭解員工現場駕駛情況,那麼主動追蹤是最佳選擇。主動式追蹤器還具備一種「地理圍欄」能力(把這種功能想像為類似「力場」),其可在汽車進入或離開某個預定位置時提供警示訊號(資訊來源:RMT)。另外,此類系統還能防止車輛失竊或追回被盜車輛,當然,主動GPS追蹤設備比被動追蹤設備還要昂貴,而且其亦需要按月支付服務費。

另一方面,被動追蹤器價格較低,但資料儲存量受限,不過它們更小,更易於隱藏。被動追蹤器在設備上儲存資訊,而不是向一個遠端地點發送資料,這種追蹤器必須從車輛上拿下來,連到電腦上,才能查看其中儲存的資訊,這類系統適合出於工作目的追蹤里程的人,也適合希望減少車輛濫用的企業。另外,被動追蹤器也常常用來監察人員的行動(可以想像成偵探工作),如果不需要即刻回饋,而是定期檢查設備資料,那麼被動追蹤器是個很好的選擇。

無論是哪一種類型的追蹤器,本質上都是可攜式的,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資料。由於為電池(通常是單顆鋰離子電池)充電需要較高的汽車系統電壓和較大的電流,所以開關模式充電器是可取的,因為與線性電池充電IC相比較,切換開關模式充電器充電效率較高,以功耗形式產生的熱量較少。大致上,嵌入式汽車應用的輸入電壓可能高達30V,而有些甚至還會更高。在這些GPS追蹤定位系統中,一個充電器和常見的12V至單顆鋰離子電池(典型值為3.7V)、針對高得多的輸入電壓(在發生源於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。

電池充電IC的設計問題

傳統的線性拓撲電池充電器往往因其精小的佔板面積、簡單性和適中的成本而受到重視。不過,傳統線性充電器有一些缺點,包括輸入和電池電壓範圍受限、電流消耗相對較大、功耗過大(產生熱量)、充電終止演算法受限,以及效率相對較低。另一方面,開關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彈性,可對多種化學組成的電池充電,充電效率高,因此可最大限度減少熱量,而可實現快速充電,另外還有很寬廣的操作電壓範圍。

當然,權衡總是存在的。開關充電器的缺點,包括:成本相對較高、基於電感的設計更加複雜、可能產生雜訊,以及解決方案接腳佔位面積較大。由於以上提及的開關充電器的優點,現代鉛酸電池、無線電源、能量採集、太陽能充電、遠端感測器和嵌入式汽車應用大多用切換開關模式充電器供電。

傳統上,追蹤器中針對電池的備份電源管理系統由多個IC組成,包括一個高壓降壓穩壓器和一個電池充電器,還有所有離散元件,這絕不是一種精巧的解決方案。因此,早期追蹤系統的外形尺寸不是很纖巧。典型的追蹤系統應用使用汽車電池和單顆鋰離子電池支援儲存和備份。

那麼,為什麼追蹤系統需要整合度更高的電源管理解決方案呢?首先,必需減小追蹤器自身的尺寸;在這個市場裡,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、需要擁有系統備份能力以應對系統電源消失或發生故障的情況,以及為通用封包無線服務(GPRS)晶片組相對較低的電源軌電壓(~4.45V)供電。

電源備份管理器

一個滿足前述要求、且整合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高效率;

˙很寬廣的輸入電壓範圍,以適合各種輸入電源,還要針對高壓暫態提供保護;

˙適當的電池充電電壓以支援GPRS晶片組;

˙透過內建充電終止(無需微處理器)簡便和自主地運行;

˙PowerPath控制——發生電源故障時,在輸入電源和備份電源之間實現無縫式的切換。如果發生輸入短路,這項控制功能還需要提供反向隔離;

˙提供備份電池,當輸入消失或輸出故障時為系統負載供電;

˙由於空間限制,需要提供接腳佔位面積很小的扁平解決方案;

˙先進的封裝,藉以提升熱性能和空間利用率。

為了滿足這些特定需求,ADI推出了LTC4091,這是一款完整的鋰離子電池備份管理系統,適合在主電源長時間故障時必須保持運行的3.45V~4.45V電源軌。該元件採用一個36V單晶降壓轉換器,具自我調整輸出控制,以從降壓轉換器輸出為系統負載供電,並支援高效率電池充電。當外部電源可用時,元件可提供高達2.5A的總輸出電流,並可為單顆4.1V或4.2V鋰離子電池提供高達1.5A的充電電流。如果主輸入源出故障,不能再為負載供電,元件就會透過一個內部理想二極體,從備份鋰離子電池向系統輸出負載提供高達4A的電流,如果使用一個外部理想二極體電晶體,就可提供相對不受限制的電流。為保護敏感的下游負載,最大輸出負載電壓限制為4.45V。在電源輸出故障時,元件的PowerPath控制在輸入電源和備份電源之間提供無縫式的切換,透過短路輸入支援反向隔離。其典型應用包括車隊和資產追蹤、汽車GPS資料記錄儀和遠端資訊處理系統、安防系統,以及通訊和工業備份系統。

備份系統元件提供60V絕對最大輸入過壓保護,因此該IC可以抵禦很高的輸入電壓暫態。其電池充電器提供兩個為鋰離子電池備份應用而最佳化的、接腳可選的充電電壓:標準4.2V電壓,以及可權衡電池執行時間和充電/放電週期壽命的4.1V可選電壓。其他特點包括在啟動和超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、低電池電量預充電、充電計時器終止、熱量調節和一個用於溫度合格充電的熱敏電阻器接腳。圖1顯示該元件的典型應用原理圖。

20180504TA01P1 圖1 LTC4091的典型應用原理圖。

熱量調節保護

為了防止熱量過高損壞該IC或周圍元件,如果晶片溫度上升至約105℃,內部熱量回饋環路就自動降低設定的充電電流。熱量調節防止由於大功率運行或環境溫度太高導致備份系統元件過熱,使用戶能夠突破給定電路板設計的功率處理能力之極限,而不會面臨損壞元件或外部零件的風險。熱量調節迴路的優點,是充電電流可以按照實際條件而不是最差條件設定,同時確保電池充電器會在最差條件下自動降低電流。

穿越汽車冷車發動情況

汽車應用會經歷電源電壓的大幅下降,例如在冷啟動情況下,電源電壓大幅下降可能導致高壓開關穩壓器失去調節能力,導致過大的VC電壓,並因此在VIN恢復時導致過大的輸出過衝。為了防止從冷啟動情況恢復時出現過衝,有必要透過RUN/SS接腳使備份系統元件的軟啟動電路重設。圖2顯示一款簡單電路的實例,該電路可自動檢測欠壓狀況並使RUN/SS接腳重設,重新接入軟啟動功能電路,以及防止發生具有破壞性的輸出過衝。

20180504TA01P2 圖2 冷啟動穿越電路。

結論

汽車和車隊追蹤系統的採用率正在逐步上升。現代追蹤器的外形尺寸不斷減小,功能越來越增加,包括主動資料傳輸功能,以支援即時追蹤。此外,還需要備份功能及用來為系統中的GPRS晶片組供電的較低電壓。一款高壓、大電流降壓電池充電器和PowerPath備份管理器元件提供熱量調節和廣泛的保護,為車輛追蹤應用提供了一款纖巧、強大和彈性的單晶片解決方案,使設計者的任務更簡單、更容易。