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      ?車輛跟蹤系統(tǒng):任何時間、任何地點、任何方式

      文章出處:嵌入式 責(zé)任編輯:上海意泓電子科技有限責(zé)任公司 發(fā)表時間:
      2020
      11-10

      背景知識


      車輛跟蹤系統(tǒng)非常適合監(jiān)控單輛車或整個車隊。跟蹤系統(tǒng)由自動跟蹤硬件和數(shù)據(jù)采集軟件(如果需要的話,還有數(shù)據(jù)傳輸)組成。2015 年全球車隊管理市場規(guī)模為 80 億美元,預(yù)計到 2022 年將超過 220 億美元,從 2016 年至 2023 年的年均復(fù)合增長率超過 20% (資料來源:Global Market Insights)。拉丁美洲、中東和非洲等地區(qū)對商用車的需求不斷增長,這也是一個潛在的增長機(jī)會。在歐洲和北美等發(fā)達(dá)地區(qū),物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 技術(shù)在車輛中的集成預(yù)計將提升車輛跟蹤系統(tǒng)的采用率,盡管集成的高成本減緩了這一進(jìn)程。此外,亞太地區(qū)車輛跟蹤市場規(guī)模在預(yù)測期內(nèi)預(yù)計會大幅增長,日本、印度和中國是主要推動國家。這些新興市場潛力巨大,主要是因為它們有大量商用車。

      主動與被動跟蹤器

      主動和被動跟蹤器收集數(shù)據(jù)的方式相同,而且同樣精確。這兩種類型的主要區(qū)別與時間相關(guān)。主動式跟蹤器也被稱為實時跟蹤器,因為它們通過衛(wèi)星或蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù),可即時指示車輛所在位置。這樣,電腦屏幕就可以實時顯示其運動。這使得主動跟蹤成為有意提高送貨效率并監(jiān)控員工駕駛情況的企業(yè)的最佳選擇。主動式跟蹤器還有地理圍欄功能(可以把此特性想像為強(qiáng)制領(lǐng)域),當(dāng)車輛進(jìn)入或離開預(yù)定位置時提供警報(資料來源:RMT Corporation)。此類系統(tǒng)還有助于防止偷竊,幫助找回被盜車輛。當(dāng)然,主動式 GPS 跟蹤設(shè)備比被動式更昂貴,并且需要支付每月服務(wù)費。

      另一方面,被動式跟蹤器成本更低,體積更小,更容易隱藏。缺點是數(shù)據(jù)存儲有限。信息存儲在設(shè)備上,而不是將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程位置。要查看其中的任何信息,必須從車輛上取下跟蹤器并插入計算機(jī)中。此類系統(tǒng)適用于為工作目的而記錄里程的人員,或有意減少車輛濫用的企業(yè)。此外,它們也經(jīng)常被選用來監(jiān)視人的行為(想想偵探工作)。如果不需要立即反饋,并且有定期檢查設(shè)備數(shù)據(jù)的規(guī)劃,那么被動跟蹤器是一個不錯的選擇。

      這兩類跟蹤器本質(zhì)上都很便攜,并且具有相對較小的外形尺寸。因此,它們需要電池供電,而且要求具有備份能力,以便在斷電情況下保存數(shù)據(jù)。由于較高的汽車系統(tǒng)電壓和電流需要用于對電池進(jìn)行充電(通常是單節(jié)鋰離子電池),相比于線性電池充電 IC,開關(guān)模式充電器的充電效率更高,而功率損耗產(chǎn)生的熱量更少,因此是更好的選擇。一般來說,嵌入式汽車應(yīng)用的輸入電壓高達(dá) 30 V,有的甚至更高。在這些 GPS 跟蹤系統(tǒng)中,理想的充電器是 12 V 至單節(jié)鋰離子電池(典型值為 3.7 V),具有附加保護(hù)措施以承受更高輸入電壓(電池失控出現(xiàn)電壓瞬變時),并有某種備份能力。

      電池充電 IC 的設(shè)計問題

      傳統(tǒng)線性拓?fù)潆姵爻潆娖鞒3R蚱渚o湊的尺寸、簡單性和不高的成本而受到重視。然而,傳統(tǒng)線性充電器有如下缺點:輸入和電池電壓范圍有限,相對電流消耗較高,功耗(發(fā)熱)過大,充電終止算法有限,相對效率較低。另一方面,開關(guān)模式電池充電器因其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、靈活性,多化學(xué)充電、高充電效率(產(chǎn)生的熱量極低,支持快速充電)、寬工作電壓范圍而受歡迎。當(dāng)然,弊端總是存在的。開關(guān)充電器的一些缺點包括:成本相對較高,基于電感的設(shè)計更為復(fù)雜,可能會產(chǎn)生噪聲,解決方案尺寸較大。由于上述優(yōu)點,現(xiàn)代鉛酸、無線電源、能量收集、太陽能充電、遠(yuǎn)程傳感器和嵌入式汽車應(yīng)用主要使用開關(guān)模式充電器。

      傳統(tǒng)上,跟蹤器的備用電源管理系統(tǒng)由多個 IC、高壓降壓調(diào)節(jié)器、電池充電器及分立元件組成,并非真正緊湊的解決方案。因此,早期跟蹤系統(tǒng)在外形上并不是非常緊湊。跟蹤系統(tǒng)的典型應(yīng)用是使用汽車電池和單節(jié)鋰離子電池進(jìn)行存儲和電源備份。

      那么,跟蹤系統(tǒng)為什么需要更高集成度的電源管理解決方案?主要原因是跟蹤器本身的尺寸需要縮小,這個市場奉行越小越好。此外還需要安全地給電池充電,保護(hù) IC 免受電壓瞬變的影響,需要進(jìn)行電源系統(tǒng)備份以防系統(tǒng)電源消失或失效,并且需要為通用分組無線服務(wù) (GPRS) 芯片組提供相對較低的電源電壓(約 4.45 V)。

      備用電源管理器

      為實現(xiàn)上述目標(biāo),集成備用電源管理器和充電器解決方案需要具備以下特性:

      ? 高效率的同步降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

      ? 寬輸入電壓范圍以適應(yīng)各種輸入電源,并具有針對高壓瞬變的保護(hù)

      ? 適當(dāng)?shù)碾姵爻潆婋妷阂灾С?GPRS 芯片組

      ? 帶有板載充電終止功能的簡單自主操作(無需微控制器)

      ? PowerPath 控制,發(fā)生電源故障事件時可以在輸入電源與備用電源之間無縫切換;如果發(fā)生輸入短路,它還需要提供反向阻斷

      ? 當(dāng)輸入不存在或發(fā)生故障時,通過備用電池為系統(tǒng)負(fù)載供電

      ? 由于空間限制,解決方案的尺寸和厚度應(yīng)很小

      ? 采用先進(jìn)封裝以提高散熱性能和空間效率

      為了滿足這些具體需求,ADI 公司最近推出了一款完整的備用鋰離子電池管理系統(tǒng) LTC4091,它在主電源長時間失效期間可讓 3.45 V 至 4.45 V 供電軌保持活動狀態(tài)。LTC4091 采用具有自適應(yīng)輸出控制能力的 36 V 單片式降壓轉(zhuǎn)換器為系統(tǒng)負(fù)載供電,并通過降壓器輸出實現(xiàn)高效率電池充電。當(dāng)外部電源可用時,該器件可提供高達(dá) 2.5 A 的總輸出電流,以及為單節(jié) 4.1 V 或 4.2 V 鋰離子電池提供高達(dá) 1.5 A 的充電電流。如果主輸入電源發(fā)生故障,無法再為負(fù)載供電,LTC4091 將通過內(nèi)部二極管從備用鋰離子電池為系統(tǒng)輸出負(fù)載提供高達(dá) 4 A 的電流;如果使用外部二極管晶體管,LTC4091 可提供不受限(相對而言)的電流。為保護(hù)敏感的后端負(fù)載,最大輸出負(fù)載電壓為 4.45 V。在電源發(fā)生故障期間,器件的 PowerPath 控制可在輸入電源與備用電源之間無縫切換,并在輸入短路時實現(xiàn)反向阻斷。LTC4091 的典型應(yīng)用包括車隊和資產(chǎn)跟蹤、汽車 GPS 數(shù)據(jù)記錄器和遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、通信及工業(yè)備份系統(tǒng)。

      LTC4091 內(nèi)置 60 V 絕對最大輸入過壓保護(hù),可令 IC 不受高輸入電壓瞬變影響。LTC4091 的電池充電器提供兩個引腳可選的針對備用鋰離子電池應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化的充電電壓:標(biāo)準(zhǔn) 4.2 V 電壓和可選 4.1 V 電壓,后者通過縮短電池運行時間來增加充電/放電循環(huán)次數(shù)。其他特性包括:軟啟動和頻率折返以控制啟動和過載期間的輸出電流,涓流充電,自動再充電,低電量預(yù)充電,充電定時終止,熱調(diào)節(jié),以及針對有溫度要求的充電的熱敏電阻引腳。

      LTC4091 采用薄型 (0.75 mm) 22 引腳 3 mm×6 mm DFN 封裝,襯底有金屬焊盤,散熱性能出色。該器件的工作溫度范圍為 -40°C 至 + 125°C。圖 1 顯示了其典型應(yīng)用原理圖。

      圖 1.LTC4091 典型應(yīng)用原理圖。

      熱調(diào)節(jié)保護(hù)

      為防止 IC 或周邊器件受到熱損傷,內(nèi)部熱反饋環(huán)路會在芯片溫度升至約 105°C 時自動降低編程設(shè)置的充電電流。熱調(diào)節(jié)保護(hù) LTC4091 免受高功率運行或高環(huán)境溫度條件引起的過溫影響,并允許用戶提升給定電路板設(shè)計的功率處理能力極限,而不會損壞 LTC4091 或外部器件。熱調(diào)節(jié)環(huán)路的好處是充電電流可根據(jù)實際情況設(shè)置,而不是根據(jù)最壞情況設(shè)置,電池充電器在最壞情況下保證會自動降低電流。

      汽車?yán)鋯舆\行過程

      汽車應(yīng)用中電源電壓會出現(xiàn)大幅下降,例如在冷啟動過程中,這會導(dǎo)致高壓開關(guān)穩(wěn)壓器失去調(diào)節(jié)能力,使得 VC 電壓過高,進(jìn)而導(dǎo)致 VIN 恢復(fù)時輸出過沖非常大。為防止從冷啟動事件恢復(fù)時發(fā)生過沖,必須通過 RUN/SS 引腳復(fù)位 LTC4091 的軟啟動電路。下面的圖 2 顯示了一個簡單的電路示例,它會自動檢測掉電情況并復(fù)位 RUN/SS 引腳,重新啟用軟啟動特性以防止輸出過沖造成損壞。

      圖 2. 冷啟動穿越電路。

      結(jié)論

       

      汽車和車隊采用車輛跟蹤系統(tǒng)的比例正在上升?,F(xiàn)代跟蹤器的外形尺寸已經(jīng)縮小,功能已經(jīng)增強(qiáng),支持主動傳輸數(shù)據(jù)以進(jìn)行實時跟蹤。此外還需要備份能力和較低電壓來為系統(tǒng) GPRS 芯片組供電。ADI 公司的 LTC4091 是一款高電壓、大電流降壓電池充電器和 PowerPath 備用電源管理器,具有熱調(diào)節(jié)和其他全面的保護(hù)功能,為車輛跟蹤應(yīng)用提供單芯片、緊湊、強(qiáng)大且靈活的解決方案,從而使設(shè)計人員的任務(wù)更簡單、更輕松。


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