車輛跟蹤系統(tǒng)：任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何方式

背景知識

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)管理市場規(guī)模為80億美元，預(yù)計(jì)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(gè)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(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)車輛跟蹤市場規(guī)模在預(yù)測期內(nèi)預(yù)計(jì)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?yàn)樗鼈冇写罅可逃密嚒?/p>

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(shí)間相關(guān)。主動式跟蹤器也被稱為實(shí)時(shí)跟蹤器，因?yàn)樗鼈兺ㄟ^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。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(shí)提供警報(bào)（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(fèi)。

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(diǎn)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(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(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(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(diǎn)包括：成本相對較高，基于電感的設(shè)計(jì)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(diǎn)，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(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(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，并具有針對高壓瞬變的保護(hù)
► 適當(dāng)?shù)碾姵爻潆婋妷阂灾С諫PRS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(shí)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(shí)，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(shí)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(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(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絕對最大輸入過壓保護(hù)，可令I(lǐng)C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(yùn)行時(shí)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(shí)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(shí)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(yùn)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(jì)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(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自動降低電流。

汽車?yán)鋯舆\(yùn)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(shí)輸出過沖非常大。為防止從冷啟動事件恢復(fù)時(shí)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(gè)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(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)更簡單、更輕松。

Steve Knoth

Steve Knoth [steve.knoth@analog.com]是ADI公司Power by Linear™部門的高級產(chǎn)品營銷工程師。他負(fù)責(zé)所有電源管理集成電路(PMIC)產(chǎn)品、低壓差穩(wěn)壓器(LDO)、電池充電器、電荷泵、基于電荷泵的發(fā)光二極管驅(qū)動器、超級電容器充電器、低壓單片開關(guān)穩(wěn)壓器和理想二極管器件。Steve從1990年起在Micro Power Systems、ADI公司和Micrel Semiconductor擔(dān)任過多種營銷和產(chǎn)品工程職位，之后于2004年加入ADI公司（以前的凌力爾特公司）。他于1988年獲得圣何塞州立大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位，并于1995年獲得該大學(xué)物理學(xué)碩士學(xué)位。2000年，Steve還獲得了鳳凰城大學(xué)技術(shù)管理碩士學(xué)位(MBA)。除了與孩子們一起享受美好時(shí)光之外，Steve還喜歡玩彈球/街機(jī)游戲或肌肉車，以及購買、出售、收藏古董玩具和電影/體育/汽車紀(jì)念品。