合适的降压转换器可以让您的小型资产跟踪器持续更长时间

作者：核心产品业务部董事总经理 Anil Telikepalli；Nazzareno (Reno) Rossetti，模拟和电源管理专家；和 Simo Radovic， Maxim Integrated的电源核心产品首席应用工程师

由于部署成本低，新的低功耗数据连接正在引发资产跟踪解决方案的激增。这种影响可以在多种应用中看到，特别是运输和供应链管理。

在典型应用中，传感器从给定位置提供更新，传输有关温度、湿度、压力和运动的数据。传感器只需传输少量数据，从而实现更高的覆盖范围和超低功耗，从而实现更长的设备寿命。传感器的电池必须持续数周至数年。根据应用程序的不同，资产跟踪可能需要部署多个跟踪器设备。因此，这些资产跟踪设备还必须小巧、便携且具有成本效益。

在此设计解决方案中，我们讨论了典型电池供电资产跟踪器设备遇到的电源管理挑战，并展示了使用小型高效降压转换器的示例。

边缘到企业的通信图 1 说明了一个典型的跟踪通信链。被跟踪的资产通过信标传输数据，信标通过专用蜂窝网络到达服务器。从这里，数据到达用于资产管理和分析的企业门户。

图 1：实时 GPS 跟踪。

在工厂环境中，资产跟踪将设施、车队设备和维护的管理整合到一个平台中，从而提高了安全性、生产力并延长了资产寿命。

资产跟踪网络新一代信标直接连接到专用蜂窝网络（LTE-M、NB-IoT），无需使用蓝牙与网关进行通信。这些技术可能非常不同，但都具有低功耗的特点，可实现数年的电池寿命（表 1）。

表 1：网络特征。

典型的资产跟踪器系统图 2 显示了一个典型的资产跟踪器框图。三串碱性电池可提供 2,000 mAh 的电量。一个降压稳压器为车载控制器、传感器和无线电供电。

图 2：资产跟踪器框图。

对于要求苛刻的资产跟踪应用，系统必须使用三节碱性电池持续一年，在深度睡眠中仅消耗 100 µA 电流，每天传输 100 mA 电流约两分钟（图 3）。虽然根据 LTE-M 或 NB-IoT 资产跟踪器支持的功率水平和其他选项，电流确实可能更高，但在我们的讨论中，我们将坚持 100-µA 至 100-mA 的范围。

图 3：资产跟踪器当前配置文件。

高使用性能需要仔细选择每个块以实现最低功耗。降压稳压器必须在 100 µA 至 100 mA 的宽范围内保持高效。例如，降压转换器平均降低 4% 的效率意味着减少大约两周的现场部署。

超低静态电流降压转换器的静态电流尤为重要，因为该器件大部分时间处于深度睡眠或安静模式，仅消耗 100 µA 或更少。V OUT = 1.8 V 时，深度睡眠期间的输出功率为 P OUT = 1.8 V × 100 µA = 180 µW。η = 90% 时，输入功率为： P IN = 180 µW/0.9 = 200 µW

如果降压转换器没有经过仔细选择并且具有 3 µA 的典型静态电流和 3.6 V 的输入电压，则会产生额外的功耗：P' IN = 3 µA × 3.6 V = 10.8 µW

最终降压转换器效率为： η = P OUT /(P IN + P' IN ) = 180/(200 + 10.8) = 86%

3 µA 的静态电流使降压转换器失去四个效率点，从而显着更快地耗尽电池！

另一方面，具有 300nA 静态电流的降压转换器几乎不会降低效率，仅降低半个百分点。对于资产跟踪应用，选择具有超低静态电流的降压转换器至关重要，因为系统大部分时间都处于“安静”模式并依赖电池。

nanoPower 降压转换器作为高效率示例，图 4所示的nanoPower超低 330nA 静态电流降压（降压）DC/DC 转换器在 1.8V 至 5.5V 输入电压范围内工作并支持负载电流高达 175 mA，峰值效率为 96%。在睡眠模式下，它仅消耗 5 nA 的关断电流。该器件采用节省空间的 1.42 × 0.89-mm 六引脚晶圆级封装（WLP 2 × 3 凸块，0.4-mm 间距）。如果基于 NB-IoT 或 LTE-M 网络中的功率水平需要更高的电流，则姐妹部件可以提供更高的电流。

图 4：集成降压转换器。

小尺寸nanoPower 降压转换器的应用封装如图5 所示。由于其 WLP 封装、高开关频率操作和小型外部无源器件，降压转换器的 PCB 净面积仅为7.1 mm 2。还提供 2 × 2-mm DFN 封装。

图 5：资产跟踪降压转换器应用（7.1 mm 2 净面积）。

效率优势图 6 显示了具有 3.6V 输入和 1.8V 输出的降压转换器的效率曲线。高负载下的同步整流和轻载和超轻负载下的脉冲操作确保了在宽工作范围内的高效率。100 µA 时 87.5% 的高效运行和 100 mA 时 92% 的效率使该 IC 成为资产跟踪应用的理想选择。与替代解决方案相比，该降压转换器具有多个效率点的优势。

图 6：MAX38640A 效率曲线。

高效率和更小的占地面积的好处齐头并进，从而减少了热量的产生。这有助于设计更小、更酷的资产跟踪器，缓解设备过热的担忧。

结论资产跟踪器，根据其具体应用，必须在现场运行数周至数年，仅由小型电池供电。这种类型的操作需要仔细选择每个块以最小化功耗。降压稳压器必须在几十 µA 到几百 mA 的宽输入电流范围内高效运行。nanoPower 降压转换器系列具有高效率和小尺寸，为资产跟踪应用提供了理想的电源解决方案。

审核编辑 黄昊宇