차량 자산 추적 장치에 전력을 공급하고 보호하여 안정적인 작동을 보장하는 방법

상용 차량에서 차량 자산 추적을 구현하여 효율성과 효율을 보장함으로써 현대 물류 및 공급망 과제를 해결하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 하지만 차량 자산 추적 장치 설계자는 견고성, 열악한 전기 환경, 높은 수준의 충격과 진동, 넓은 작동 온도 범위를 고려하여 설계해야 합니다. 이와 동시에 폭넓은 입력 전압 범위(일반적으로 4.5V DC ~ 60V DC)의 작은 폼 팩터에서 성능, 효율성 및 보호 강화 요구 사항을 충족해야 합니다.

작동 조건과 자산 가치를 감안할 때 보호의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 일반적으로 안정적인 작동을 보장하고 높은 수준의 가용성을 지원하기 위한 과전류, 과전압, 부족 전압, 역전압 조건에 대한 보호가 포함됩니다.

이러한 작동 요구 사항을 충족하는 데 필요한 전력 변환 및 보호 회로망을 처음부터 설계하는 것은 까다로울 수 있습니다. 처음부터 설계하면 완벽히 최적화된 설계가 가능할 수 있지만, 출시 시간이 지연되고, 비용이 초과되고, 규정 준수 문제가 발생할 수도 있습니다. 대신 설계자는 기성 DC/DC 컨버터 전력 모듈 및 보호 IC로 전환할 수 있습니다.

이 기사에서는 차량 자산 추적 장치의 전력 요구 사항을 검토하고 이러한 장치에 일반적인 전력 관리 및 보호 아키텍처에 대해 간략히 소개합니다. 그런 다음 설계자가 이러한 응용 분야에서 사용할 수 있는 Maxim Integrated Products의 실제 DC/DC 컨버터 및 보호 IC에 대해 설명합니다. 또한 관련 평가 기판 및 인쇄 회로 기판(PC 기판) 레이아웃 지침을 제공합니다.

차량 자산 추적기 전력 요구 사항

차량 배터리는 추적 장치를 위한 1차 전원이며 일반적으로 12V DC(소비자용 차량) 및 24V DC(상용 트럭)입니다. 자산 추적기는 교체용 부속품으로 판매되며 며칠 동안 지속되는 크기의 충전용 백업 배터리를 포함해야 합니다. 또한 이러한 장치는 차량 전력 버스의 과도 및 장애 상황으로부터 보호되어야 하며, 일반적으로 시스템 소자에 전원을 공급하기 위해 강압 DC/DC 컨버터와 낮은 드롭아웃 조정기(LDO)를 포함합니다(그림 1).

그림 1: 일반 자산 추적/차량 관리 장치의 전력 시스템은 두 개 이상의 강압 DC/DC 컨버터와 LDO 및 보호 IC를 포함합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

이러한 부속품은 교체 부품으로 설치되므로 자산 추적 장치는 가용 공간에 맞도록 최대한 작아야 합니다. 전력 변환 부품은 장치의 긴 수명과 상대적으로 작은 배터리를 통한 장시간 백업을 지원하기 위해 매우 효율적이어야 합니다. 자산 추적 장치는 일반적으로 밀폐형 인클로저에 내장되므로 수명과 신뢰성에 부정적인 영향을 줄 수 있는 내부 발열을 최소화해야 합니다. 따라서 전력 시스템은 소형화와 효율성을 최적의 조건으로 결합해야 합니다. LDO는 콤팩트하지만 가장 효율적인 옵션은 아닙니다.

대신 설계자는 높은 변환 효율을 제공하는 동기식 벅 DC/DC 컨버터로 전환할 수 있습니다. 예를 들어 72% 효율은 24V ~ 3.3V 동기식 벅 변환에 일반적인 값이고, 84% 효율은 24V ~ 5V 변환에 일반적인 값입니다. 동기식 DC/DC 컨버터를 사용하면 열 방출을 줄여서 신뢰성이 향상되고 소형 백업 배터리를 사용할 기회가 증가합니다. 문제는 이러한 응용 분야에 필요한 60V DC 최대 입력 등급을 충족하는 콤팩트 솔루션을 설계하는 것입니다.

동기식 벅 IC과 통합 모듈 차이점

작은 크기와 효율성에 대한 설계 목표를 달성하기 위해 설계자는 동기식 DC/DC 컨버터 IC 또는 통합 DC/DC 컨버터 모듈 중에서 선택할 수 있습니다. 일반 300mA 동기식 벅 IC 솔루션에서는 2mm² IC, 약 4mm² 인덕터 및 기타 여러 수동 소자 부품이 총 29.3mm²의 PC 기판 영역을 차지합니다. 또한 Maxim Integrated의 Himalaya μSLIC 통합 동기식 벅 모듈은 21mm²의 PC 기판 영역만 차지하는 28% 더 작은 솔루션을 제공합니다(그림 2).

그림 2: 기존 벅 컨버터 구현(왼쪽)에 비해 Himalaya μSLIC 전력 모듈 솔루션(오른쪽)은 28% 더 적은 기판 공간을 차지합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

세로 실장

Himalaya μSLIC 전력 모듈은 인덕터와 벅 컨버터 IC를 세로로 통합하여 일반 평면형 솔루션에 비해 PC 기판 공간을 크게 줄입니다. μSLIC 모듈은 정격 작동 온도 범위는 최대 60V DC 입력에서 -40°C ~ +125°C입니다. 세로로 통합하지만 이 모듈은 높이가 낮고 콤팩트한 10핀, 2.6mm x 3mm x 1.5mm 높이의 패키지로 제공됩니다(그림 3).

그림 3: Himalaya μSLIC 전력 모듈에서는 기판 공간을 최소화하기 위해 인덕터를 IC에 세로로 통합합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

MAXM15062/MAXM15063/MAXM15064 고효율 동기식 벅 모듈에는 통합 컨트롤러, MOSFET, 보상 부품 및 인덕터가 포함되어 있습니다. 이러한 모듈은 완벽한 고효율 DC/DC 솔루션을 구현하기 위해 외부 부품을 일부만 사용합니다(그림 4). 또한 최대 300mA 전류를 공급하고 4.5V DC ~ 60V DC 입력 전압 범위에서 작동할 수 있습니다. MAXM15064는 출력을 0.9V DC ~ 5V DC 사이에서 조정 가능하고, MAXM15062 및 MAXM15063은 각각 3.3V DC 및 5V DC의 고정 출력을 사용합니다.

그림 4: 완벽한 벅 컨버터 솔루션을 만들기 위해 MAXM15064에는 2개의 커패시터와 2개의 저항기만 필요합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

이 모듈에는 주기별 전류 제한, 고유한 단락 회로 보호, 우수한 과도 응답을 제공하는 피크 전류 모드 제어 아키텍처가 있습니다. 또한 고정 4.1ms 소프트 스타트 시간을 지원하여 유입 전류를 줄입니다. 설계자는 효율적인 이 벅 컨버터 모듈로 전환하여 설계 공정을 간소화하고, 제조 위험을 줄이고, 출시 시간을 단축할 수 있습니다.

검증된 설계를 보여주는 평가 키트

MAXM15064EVKIT# 평가 키트는 MAXM15064 동기식 벅 모듈을 평가하기 위한 검증된 설계를 제공합니다(그림 5). 이 평가 키트는 최대 300mA 부하에 대해 5V DC를 제공하도록 프로그래밍되어 있습니다. 또한 가변 입력 부족 전압 차단, 개방 드레인 RESET 신호, 선택 가능한 펄스 폭 변조(PWM) 또는 펄스 주파수 변조(PFM) 모드를 지원합니다. PFM 모드를 사용하여 우수한 경부하 효율을 제공할 수 있습니다. CISPR22(EN55022) B급 전도성 및 복사성 방출 규정을 준수하고 48V DC 입력 및 200mA 출력에서 78.68% 효율을 제공합니다.

그림 5: MAXM15064EVKIT#은 최대 300mA를 공급할 수 있는 MAXM15064용 5V DC 출력 평가 키트입니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

보호 IC

설계자는 완벽한 시스템 솔루션을 위해 AX176xx 가변 부족 전압 및 과전류 보호 IC와 MAXM1506x 동기식 벅 모듈을 함께 사용할 수 있습니다. 이 IC는 12핀 TDFN-EP 패키지로 제공되며 -65V ~ +60V 범위의 네거티브 및 포지티브 입력 전압 결함으로부터 시스템을 보호하도록 설계되었습니다. 이 IC에는 일반 온스테이트 저항(R_ON)이 260mΩ에 불과한 내부 전계 효과 트랜지스터(FET)가 있습니다. 입력 과전압 보호 범위는 5.5V ~ 60V 사이로 프로그래밍 가능하고, 입력 부족 전압 보호 범위는 4.5V ~ 59V 사이에서 조정 가능합니다. 외부 저항기는 입력 과전압 차단(OVLO) 및 부족 전압 차단(UVLO) 임계값을 설정하는 데 사용됩니다.

대형 출력 필터 커패시터를 충전할 때 유입 전류를 제어할 수 있도록 최대 1A 저항기로 전류 제한 보호를 프로그래밍할 수 있습니다. 전류 제한은 세 가지 모드(자동 재시도, 래치 오프, 연속)로 구현될 수 있습니다. SETI 핀에 나타나는 전압은 순간 전류에 비례하며, 아날로그 디지털 컨버터(ADC)로 판독할 수 있습니다. 이 IC는 작동 온도 범위가 -40°C ~ +125°C이고 과열로부터 보호하기 위해 과열 시 전원 차단 기능이 포함되어 있습니다. 높은 입력 서지 전류가 예상되는 응용 분야에서는 선택적 서지 억제기를 사용할 수 있습니다(그림 6). 이 제품군에는 세 가지 IC가 있습니다.

• MAX17608은 과전압, 부족 전압, 역전압으로부터 보호합니다.
• MAX17609는 과전압 및 부족 전압으로부터 보호합니다.
• MAX17610은 역전압으로부터 보호합니다.

그림 6: 높은 입력 서지 응용 분야를 위한 선택적 서지 억제기(왼쪽)를 보여주는 MAX17608 및 MAX17609 보호 IC 일반 통합 (이미지 출처: Maxim Integrated)

보호 IC용 평가 키트

설계자는 MAX17608EVKIT, MAX17609EVKIT 및 MAX17610EVKIT를 사용하여 각각 MAX17608, MAX17609, MAX17910의 성능을 평가할 수 있습니다(그림 7). 예를 들어 MAX17608EVKIT는 MAX17608을 평가하기 위해 완전히 조립되어 테스트된 회로 기판입니다. 이 기판은 4.5V ~ 60V 및 1A 정격이며, 부족 전압, 과전압, 역전압 보호 및 순방향 전류/역전류 제한을 지원합니다. 가변 부족 전압 및 과전압 보호, 세 전류 제한 모드, 다양한 전류 제한 임계값을 검증하도록 MAX17608EVKIT를 구성할 수 있습니다.

그림 7: MAX17608용 MAX17608EVKIT#과 같은 평가 기판은 MAX17609 및 MAX17610 보호 IC에도 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

PC 기판 레이아웃 지침

MAX1506x 및 MAX176xx를 배치할 경우 성공적인 설계를 위해 몇 가지 기본 지침을 준수해야 합니다. 예를 들어 MAX1506x의 경우:

• 입력 커패시터는 IN 및 GND 핀에 최대한 가까워야 합니다.
• 출력 커패시터는 OUT 및 GND 핀에 최대한 가까워야 합니다.
• 피드백(FB) 저항기 분배기는 FB 핀에 최대한 가까워야 합니다.
• 짧은 전력 트레이스 및 부하 연결을 사용합니다.

MAX176xx의 경우:

• 모든 트레이스를 최대한 짧게 유지하여, 기생 유도 용량을 최소화하고 출력 회로 단락에 대한 스위치 응답 시간을 최적화합니다.
• 입력 및 출력 커패시터를 장치에서 5mm 이내로 유지해야 하며, 가까울수록 더 좋습니다.
• IN 및 OUT 핀을 짧고 넓은 트레이스로 전력 버스에 연결해야 합니다.
• 특히, 지속 전류 제한 모드에 대한 열 성능을 개선하기 위해 노출형 패드부터 접지면까지 열 바이어스를 사용하는 것이 좋습니다.

참고로 그림 8은 MAXM17608 및 MAXM15062와 전력 체인에서 해당 배치를 보여줍니다.

그림 8: 일반 자산 추적 장치 제품 구성도는 Maxim Integrated의 동기식 벅 컨버터 및 보호 IC가 적합한 위치를 보여줍니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

결론

위에서 살펴본 바와 같이 설계자는 차량 자산 추적 장치에 대해 완벽한 전력 및 보호 솔루션을 구현하기 위해 MAX1506x 고효율 동기식 벅 모듈 및 MAX176xx 보호 IC로 전환할 수 있습니다. 구현 중에 핵심 모범 사례를 따르면 결과 솔루션은 효율적이고 콤팩트하고 견고하면서 제조 위험과 규정 준수 문제를 최소화할 수 있습니다.

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