2018年04月15日 | 跟踪系统需要集成的电源管理应用设计

车辆跟踪系统非常适合监视一辆汽车或整个车队。跟踪系统由自动跟踪硬件和用于收集数据（如果需要的话，还有数据传输）的软件组成。

今天，我们就来剖析下“车辆跟踪系统”。

1

主动跟踪器与被动跟踪器

主动跟踪器和被动跟踪器收集数据的方式相同，也同样准确。这两种类型跟踪器的主要区别在于时间。

• 主动跟踪器也称为“实时”跟踪器，因为它们通过卫星或蜂窝网络发送数据，即时指示车辆位置。电脑屏幕可以实时显示车辆的移动。因此，如果企业希望提高运送效率并了解员工现场驾驶情况，那么主动跟踪是最佳选择。主动式跟踪器还具备一种“地理围栏”能力（把这种功能想象为类似“力场”），其可在汽车进入或离开某个预定位置时提供警示信号。另外，此类系统还能帮助防止车辆失窃或追回被盗车辆。当然，主动GPS跟踪设备比被动跟踪设备贵，而且需要按月支付服务费。

• 被动跟踪器价格较低，但数据存储量受限，不过它们更小，更易于隐藏。被动跟踪器在设备上存储信息，而不是向一个远程地点发送数据。这种跟踪器必须从车辆上拿下来，连到电脑上，才能查看其中存储的信息。这类系统适合出于工作目的跟踪里程的人，也适合希望减少车辆滥用的企业。另外，被动跟踪器也常常用来监察人员的行动（可以想象成侦探工作）。如果不需要即刻反馈，而是定期检查设备数据，那么被动跟踪器是个很好的选择。

无论哪一种类型的跟踪器，本质上都是便携式的，外形尺寸相对较小。因此需要电池电源，也需要备份功能以在万一断电时保存数据。由于给电池（通常是单节锂离子电池）充电需要较高的汽车系统电压和较大的电流，所以开关模式充电器是可取的，因为与线性电池充电IC相比，开关模式充电器充电效率较高，以功耗形式产生的热量较少。大体上，嵌入式汽车应用的输入电压可能高达30 V，有些甚至更高。在这些GPS跟踪定位系统中，一个充电器和常见的12 V至单节锂离子电池（典型值为3.7V）、针对高得多的输入电压（在发生源于电池漂移之电压瞬变的场合）的附加保护以及某种类型的备份能力将是理想的配置。

2

电池充电 IC 的设计问题

• 传统的线性拓扑电池充电器往往因其紧凑的占板面积、简单性和适中的成本而受到重视。不过，传统线性充电器有一些缺点，包括输入和电池电压范围受限、电流消耗相对较大、功耗过大（产生热量）、充电终止算法受限以及效率相对较低。

• 开关模式电池充电器是很受欢迎的选择，因为这类充电器具备拓扑灵活性，可对多种化学组成的电池充电，充电效率高，因此最大限度减少了热量，可实现快速充电，另外还有很宽的工作电压范围。

当然，权衡总是存在的。开关充电器的缺点包括：成本相对较高、基于电感器的设计更加复杂、可能产生噪声以及解决方案占板面积较大。由于以上提及的开关充电器的优点，现代铅酸电池、无线电源、能量收集、太阳能充电、远程传感器和嵌入式汽车应用大多用开关模式充电器供电。

传统上，跟踪器中面向电池的备份电源管理系统由多个IC组成，包括一个高压降压型稳压器和一个电池充电器，还有所有分立式组件，这绝不是一种紧凑的解决方案。因此，早期跟踪系统的外形尺寸不是很紧凑。典型的跟踪系统应用使用汽车电池和单节锂离子电池支持存储和备份。

为什么跟踪系统需要集成度更高的电源管理解决方案呢？

1. 必需减小跟踪器自身的尺寸，在这个市场里，尺寸是越小越好；

2. 要求对电池进行安全的充电和为IC提供针对电压瞬变的保护、需要拥有系统备份能力以应对系统电源消失或发生故障的情况、以及为通用分组无线业务（GPRS）芯片组相对较低的电源轨电压（~4.45 V）供电。

3

电源备份管理器

一个满足前述要求、集成了电源备份管理器和充电器的解决方案需要具备以下特点：

• 同步降压型拓扑以实现高效率；

• 很宽的输入电压范围，以适合各种输入电源，还要针对高压瞬态提供保护；

• 适当的电池充电电压以支持GPRS芯片组；

• 通过内置充电终止（无需微处理器）简便和自主地运行；

• PowerPath™控制——发生电源故障时，在输入电源和备份电源之间实现无缝切换，如果发生输入短路，这项控制功能还需要提供反向隔离；

• 提供备份电池，当输入消失或出故障时为系统负载供电；

• 由于空间限制，需要提供占板面积很小的扁平解决方案；

• 先进的封装以改善热性能和空间利用率。

为了满足这些特定需求，ADI 推出了 LTC4091，这是一款完整的锂离子电池备份管理系统，适合在主电源长时间故障时必须保持运行的3.45 V至4.45 V电源轨。

LTC4091采用一个36 V单片降压型转换器，具自适应输出控制，以从降压型转换器输出给系统负载供电，并支持高效率电池充电。当外部电源可用时，该器件可提供高达2.5 A的总输出电流，并可为单节4.1 V或4.2 V锂离子电池提供高达1.5 A的充电电流。如果主输入源出故障，不能再给负载供电，LTC4091就通过一个内部理想二极管，从备份锂离子电池向系统输出负载提供高达4 A的电流，如果使用一个外部理想二极管晶体管，就可提供相对不受限制的电流。为了保护敏感的下游负载，最大输出负载电压限制为4.45 V。在电源出故障时，该器件的PowerPath™控制在输入电源和备份电源之间提供无缝切换，通过短路输入支持反向隔离。LTC4091的典型应用包括车队和财产跟踪、汽车GPS数据记录仪和远程信息处理系统、安防系统、以及通信和工业备份系统。

LTC4091提供60V绝对最大输入过压保护，因此该IC可以抵御很高的输入电压瞬态。LTC4091的电池充电器提供两个为锂离子电池备份应用而优化的、引脚可选的充电电压：标准4.2 V电压，以及可权衡电池运行时间和充电/放电周期寿命的4.1 V可选电压。其他特点包括在启动和过载时控制输出电流的软启动和频率折返以及涓流充电、自动充电、低电池电量预充电、充电定时器终止、热量调节和一个用于温度合格充电的热敏电阻器引脚。

LTC4091 采用扁平 （0.75 mm）22 引脚 3 mm x 6 mm DFN 封装，提供背面金属焊盘以实现卓越的热性能。该器件在 –40℃至 125℃的温度范围内运行。图 1 显示了该器件的典型应用原理图。

图1 LTC4091 的典型应用原理图

4

热量调节保护

为了防止热量过高损坏该IC或周围组件，如果芯片温度上升至约105 ℃，内部热量反馈环路就自动降低设定的充电电流。热量调节防止由于大功率运行或环境温度太高导致LTC4091过热，使用户能够突破给定电路板设计的功率处理能力之极限，而不会面临损坏LTC4091或外部组件的风险。热量调节环路的好处是，充电电流可以按照实际条件而不是最差条件设定，同时确保电池充电器会在最差条件下自动降低电流。

5

穿越汽车冷车发动情况

汽车应用会经历电源电压的大幅下降，例如在冷车发动情况下，电源电压大幅下降可能导致高压开关稳压器失去调节能力，导致过大的VC电压，并因此在VIN恢复时导致过大的输出过冲。为了防止从冷车发动情况恢复时出现过冲，有必要通过RUN/SS引脚使LTC4091的软启动电路复位。

图2是一款简单电路的实例，该电路可自动检测欠压状况并使RUN/SS引脚复位，重新接入软启动功能电路以及防止发生具有破坏性的输出过冲。

图2 冷车发动穿越电路

结论

汽车和车队跟踪系统的采用率正在上升。现代跟踪器的外形尺寸在减小，功能在增加，包括主动数据传输功能，以支持实时跟踪。此外，还需要备份功能以及用来给系统中GPRS 芯片组供电的较低电压。ADI 的 Power by Linear™ 产品 LTC4091是一款高压、大电流降压型电池充电器和 PowerPath 备份管理器，提供热量调节和广泛的保护，为车辆跟踪应用提供了一款紧凑、强大和灵活的单芯片解决方案，使设计师的任务更简单、更容易了。