背景知識(shí)

車輛跟蹤系統(tǒng)非常適合監(jiān)控單輛車或整個(gè)車隊(duì)。跟蹤系統(tǒng)由自動(dòng)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(duì)管理市場(chǎng)規(guī)模為 80 億美元，預(yù)計(jì)到 2022 年將超過(guò) 220 億美元，從 2016 年至 2023 年的年均復(fù)合增長(zhǎng)率超過(guò) 20% (資料來(lái)源：Global Market Insights)。拉丁美洲、中東和非洲等地區(qū)對(duì)商用車的需求不斷增長(zhǎng)，這也是一個(gè)潛在的增長(zhǎng)機(jī)會(huì)。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(jì)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(chǎng)規(guī)模在預(yù)測(cè)期內(nèi)預(yù)計(jì)會(huì)大幅增長(zhǎng)，日本、印度和中國(guó)是主要推動(dòng)國(guó)家。這些新興市場(chǎng)潛力巨大，主要是因?yàn)樗鼈冇写罅可逃密嚒?/p>

主動(dòng)與被動(dòng)跟蹤器

主動(dòng)和被動(dòng)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(shí)間相關(guān)。主動(dòng)式跟蹤器也被稱為實(shí)時(shí)跟蹤器，因?yàn)樗鼈兺ㄟ^(guò)衛(wèi)星或蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，可即時(shí)指示車輛所在位置。這樣，電腦屏幕就可以實(shí)時(shí)顯示其運(yùn)動(dòng)。這使得主動(dòng)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(dòng)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(shí)提供警報(bào)(資料來(lái)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(dòng)式 GPS 跟蹤設(shè)備比被動(dòng)式更昂貴，并且需要支付每月服務(wù)費(fèi)。

另一方面，被動(dòng)式跟蹤器成本更低，體積更小，更容易隱藏。缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)有限。信息存儲(chǔ)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(jì)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(lái)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(dòng)跟蹤器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

這兩類跟蹤器本質(zhì)上都很便攜，并且具有相對(duì)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(duì)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(lái)說(shuō)，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(shí))，并有某種備份能力。

電池充電 IC 的設(shè)計(jì)問題

傳統(tǒng)線性拓?fù)潆姵爻潆娖鞒３Ｒ蚱渚o湊的尺寸、簡(jiǎn)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(diǎn)：輸入和電池電壓范圍有限，相對(duì)電流消耗較高，功耗(發(fā)熱)過(guò)大，充電終止算法有限，相對(duì)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(diǎn)包括：成本相對(duì)較高，基于電感的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，可能會(huì)產(chǎn)生噪聲，解決方案尺寸較大。由于上述優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)代鉛酸、無(wú)線電源、能量收集、太陽(yáng)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(gè) 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(chǔ)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(gè)市場(chǎng)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(wú)線服務(wù) (GPRS) 芯片組提供相對(duì)較低的電源電壓(約 4.45 V)。

備用電源管理器

為實(shí)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(duì)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(jiǎn)單自主操作(無(wú)需微控制器)

? PowerPath 控制，發(fā)生電源故障事件時(shí)可以在輸入電源與備用電源之間無(wú)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(shí)，通過(guò)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(zhǎng)時(shí)間失效期間可讓 3.45 V 至 4.45 V 供電軌保持活動(dòng)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(guò)降壓器輸出實(shí)現(xiàn)高效率電池充電。當(dāng)外部電源可用時(shí)，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(wú)法再為負(fù)載供電，LTC4091 將通過(guò)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(duì)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(wú)縫切換，并在輸入短路時(shí)實(shí)現(xiàn)反向阻斷。LTC4091 的典型應(yīng)用包括車隊(duì)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(duì)最大輸入過(guò)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(gè)引腳可選的針對(duì)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(guò)縮短電池運(yùn)行時(shí)間來(lái)增加充電/放電循環(huán)次數(shù)。其他特性包括：軟啟動(dòng)和頻率折返以控制啟動(dòng)和過(guò)載期間的輸出電流，涓流充電，自動(dòng)再充電，低電量預(yù)充電，充電定時(shí)終止，熱調(diào)節(jié)，以及針對(duì)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(huì)在芯片溫度升至約 105°C 時(shí)自動(dòng)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(yùn)行或高環(huán)境溫度條件引起的過(guò)溫影響，并允許用戶提升給定電路板設(shè)計(jì)的功率處理能力極限，而不會(huì)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(shí)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(huì)自動(dòng)降低電流。

汽車?yán)鋯?dòng)運(yùn)行過(guò)程

汽車應(yīng)用中電源電壓會(huì)出現(xiàn)大幅下降，例如在冷啟動(dòng)過(guò)程中，這會(huì)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(guò)高，進(jìn)而導(dǎo)致 VIN 恢復(fù)時(shí)輸出過(guò)沖非常大。為防止從冷啟動(dòng)事件恢復(fù)時(shí)發(fā)生過(guò)沖，必須通過(guò) RUN/SS 引腳復(fù)位 LTC4091 的軟啟動(dòng)電路。下面的圖 2 顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的電路示例，它會(huì)自動(dòng)檢測(cè)掉電情況并復(fù)位 RUN/SS 引腳，重新啟用軟啟動(dòng)特性以防止輸出過(guò)沖造成損壞。

圖 2. 冷啟動(dòng)穿越電路。

結(jié)論

汽車和車隊(duì)采用車輛跟蹤系統(tǒng)的比例正在上升。現(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(dòng)傳輸數(shù)據(jù)以進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。此外還需要備份能力和較低電壓來(lái)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(jì)人員的任務(wù)更簡(jiǎn)單、更輕松。