使用板載穩(wěn)壓器延長智能工廠室內(nèi)BLE信標(biāo)的使用壽命

工業(yè) 4.0 為我們提供了智能工廠，這些工廠高度數(shù)字化并連接起來，一方面用于自適應(yīng)制造，另一方面提高了產(chǎn)量。這不僅提高了生產(chǎn)力，而且還可以在不需要太多人工干預(yù)的情況下實時識別和修復(fù)工廠車間的任何故障。

在過去的幾十年里，自動化一直是提高工廠效率的關(guān)鍵驅(qū)動力。隨著通信、大數(shù)據(jù)、人工智能 (AI) 和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的進(jìn)步，我們離讓工廠真正智能化的目標(biāo)越來越近。

根據(jù)凱捷研究院和數(shù)字制造服務(wù)公司發(fā)布的一份報告 [1] ，智能數(shù)字化工廠可能會在未來五年內(nèi)為全球經(jīng)濟增加 5000 億至 1.5 萬億美元。該報告還預(yù)測，未來幾年工廠的整體效率將以每年 7 倍的速度增長。

建立這些智能數(shù)字工廠的重要支柱之一是連通性。互聯(lián)工廠使用物聯(lián)網(wǎng)框架連接工廠車間的設(shè)備、資產(chǎn)和傳感器。這些傳感器和設(shè)備不僅從工具和機器中收集數(shù)據(jù)，還從材料、貨物、室內(nèi)車輛甚至工廠車間的人員中收集數(shù)據(jù)?？梢苑治鰪倪@些連接設(shè)備收集的數(shù)據(jù)，使用 AI 來識別趨勢、模式和對工廠車間日常運營和運作的關(guān)鍵見解，最終減少機器停機時間并增加工廠的靈活性。

為了無縫實現(xiàn)這一點，無線信標(biāo)連接到設(shè)備和材料上，使它們可以通過基于智能手機的簡單應(yīng)用程序或更復(fù)雜的基于服務(wù)器的系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤。這些信標(biāo)需要體積小、成本效益高且使用壽命長，同時由廉價的一次性電池供電。這些應(yīng)用中使用的無線技術(shù)可能包括 Wi-Fi、低功耗藍(lán)牙 (BLE)、超寬帶 (UWB) 和射頻識別 (RFID)，每種技術(shù)都具有不同程度的定位精度、范圍和電池壽命。請注意，這些標(biāo)準(zhǔn)有時通過其 IEEE 編號來引用，例如 802.11 和 802.15.x。

信標(biāo)的傳輸功率（也取決于需要傳輸數(shù)據(jù)的范圍）和傳輸事件的頻率對電池壽命起著重要作用。最后，信標(biāo)的電子設(shè)備必須將其對功耗的影響降至最低。

BLE 信標(biāo)通常在許多應(yīng)用中受到青睞，因為它們提供高定位精度，同時價格低廉且功耗低。

在此設(shè)計解決方案中，我們回顧了為 BLE 信標(biāo)供電的挑戰(zhàn)，并展示了高效的板載穩(wěn)壓器如何延長其電池壽命。

圖 1：智能工廠中的藍(lán)牙信標(biāo)。

典型的信標(biāo)系統(tǒng)

圖 2顯示了一個典型的信標(biāo)框圖。單節(jié)堿性電池可提供高達(dá) 2,700 mAh 的電量，通過 DC-DC 升壓穩(wěn)壓器為車載控制器、傳感器和無線電供電。盡管我們在此設(shè)計解決方案中使用了 AA 電池，但在某些系統(tǒng)中看到單個紐扣電池并不少見。

圖 2：典型的信標(biāo)框圖。

各種傳感器收集數(shù)據(jù)，然后通過無線電將數(shù)據(jù)傳輸 20 ms 到集中接收器；在接下來的 980 毫秒內(nèi)，信標(biāo)處于睡眠模式。

在睡眠模式下，升壓轉(zhuǎn)換器的負(fù)載漏電流為 0.73 μA，而數(shù)據(jù)傳輸需要峰值為 3.182 mA 的無線電電流脈沖。升壓轉(zhuǎn)換器負(fù)載曲線如下圖 3 所示。

圖 3：信標(biāo)電流曲線。

在一個典型的室內(nèi)資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用中，系統(tǒng)必須僅使用一節(jié)堿性電池就可以使用兩年。典型的升壓穩(wěn)壓器具有 0.2 μA 的漏電流、10 μA 的靜態(tài)電流、85% 的峰值效率和 50% 的低電流效率。假設(shè)輸入電壓為 1.5V，輸出電壓為 3.3V，輸出休眠電流為 0.73μA，我們可以按如下方式計算平均電流：

這個 168 μA 的平均電流將導(dǎo)致電池在兩年內(nèi)減少 61 天。

挑戰(zhàn)

對于任何電壓調(diào)節(jié)器來說，以小尺寸實現(xiàn)高效率都是一項挑戰(zhàn)。增加電壓調(diào)節(jié)器的工作頻率會減小無源器件的尺寸，但會導(dǎo)致?lián)p耗增加，從而降低其效率。將穩(wěn)壓器的輸入工作范圍降至幾分之一伏是至關(guān)重要的，因為電池電壓在工作期間會不斷下降。室內(nèi)跟蹤應(yīng)用的激增產(chǎn)生了對多種定制版本的穩(wěn)壓器的需求，尤其是在輸入/輸出電壓和電流規(guī)格方面。因此，信標(biāo)制造商可能被迫維持大量且昂貴的不同調(diào)節(jié)器以及支持它們所需的無源器件的庫存。

解決方案

理想的解決方案是解決這些缺點的負(fù)載感知穩(wěn)壓器，即持續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)電流消耗行為的穩(wěn)壓器。MAX17222nanoPower同步升壓轉(zhuǎn)換器就是這樣一種器件。它提供高效率、400mV 至 5.5V 輸入范圍、0.5A 峰值電感電流限制以及可使用單個標(biāo)準(zhǔn) 1% 電阻器選擇的輸出電壓。一種新穎的真正關(guān)斷模式產(chǎn)生納安范圍內(nèi)的泄漏電流，使其成為真正的納功率器件。

圖 4說明了 IC 與關(guān)斷和靜態(tài)電流有關(guān)的基本元件。

“真正關(guān)機”目前的優(yōu)勢

圖 4：關(guān)斷和靜態(tài)電流。

真正的關(guān)斷功能將輸出與輸入斷開，沒有正向或反向電流，從而產(chǎn)生非常低的泄漏電流。如果使用上拉電阻來啟用/禁用操作，則還必須考慮真正關(guān)斷模式下的上拉電流。如果相反，啟用 (EN) 引腳由推挽式外部驅(qū)動器驅(qū)動，該驅(qū)動器由不同的電源供電，則沒有上拉電流，關(guān)斷電流僅為 0.5 nA，遠(yuǎn)低于 0.2 μA前面討論的典型案例。

靜態(tài)電流優(yōu)勢

參考圖4，IC的輸入靜態(tài)電流（I QINT）為0.5 nA（啟動后使能開路），輸出靜態(tài)電流（I QOUT）為300 nA。要計算總輸入靜態(tài)電流，必須將饋送輸出電流 (I QOUT_IN ) 所需的額外輸入電流添加到 I QINT。由于輸出功率與輸入功率的關(guān)系是效率（P OUT = P IN x η），因此可以得出：

I QOUT_IN = I QOUT x (V OUT /V IN )/η

如果 V IN = 1.5V，V OUT = 3.3 V，并且在低電流下效率 η = 57.5%，我們有：

I QOUT_IN = 300 nA x (3.3/1.5)/0.575 = 1148 nA

將 1148 nA 加到 0.5 nA 的輸入電流上，總輸入靜態(tài)電流為 1148.5 nA (I QINGT )。如前例所述，該靜態(tài)電流比典型升壓穩(wěn)壓器的 10 μA 低 9 倍。

效率優(yōu)勢

升壓轉(zhuǎn)換器 IC 采用低 R DSON、板載動力總成 MOSFET 晶體管，即使在足夠高的頻率下運行以保證較小的整體 PCB 尺寸（圖 5），也能產(chǎn)生出色的效率。

圖 5：高效率。

憑借升壓轉(zhuǎn)換器在峰值電流下的 92.5% 效率、1.15 μA 靜態(tài)電流和 0.5 nA 關(guān)斷電流，信標(biāo)的使用壽命比典型穩(wěn)壓器長兩個多月（見表 1）。

表 1. 兩個穩(wěn)壓器之間的電池壽命比較

啟用瞬態(tài)保護模式

該 IC 包括一個用于啟用瞬態(tài)保護 (ETP) 模式的選項。當(dāng)存在上拉電阻器時，由輸出電容器供電的額外片上電路可確保 EN 在輸入端的短暫瞬態(tài)干擾期間保持高電平。在這種情況下，上面計算的靜態(tài)電流增加了幾十納安。

BOM 優(yōu)勢和智能 V OUT選擇

MAX17222 將用于設(shè)置輸出電壓值的傳統(tǒng)電阻分壓器替換為單個輸出選擇電阻器 (R SEL )，如圖4 所示。該芯片使用專有方案來讀取僅在啟動時消耗高達(dá) 200 μA的 R SEL值。一個標(biāo)準(zhǔn)的 1% 電阻器可設(shè)置 33 種不同的輸出電壓之一，在 1.8V 和 5V 之間以 100mV 的增量分隔。結(jié)果是材料清單 (BOM) 的小幅減少（少了一個電阻器），簡化了庫存（用于多種應(yīng)用的單個穩(wěn)壓器）和較低的靜態(tài)電流。

結(jié)論

由數(shù)字化和連接驅(qū)動的智能工廠概念正被全球越來越多的制造商所接受，以在當(dāng)今充滿活力的市場中保持競爭力。這些智能工廠的一個關(guān)鍵特性是定位和監(jiān)控整個工廠車間的資產(chǎn)。收集到的數(shù)據(jù)可以立即分析并實時采取行動，而無需操作員的持續(xù)監(jiān)督。

工廠室內(nèi)定位和室內(nèi)導(dǎo)航需要使用廉價一次性電池供電的體積小、成本效益高、使用壽命長的無線信標(biāo)。在此設(shè)計解決方案中，我們回顧了為 BLE 信標(biāo)供電的挑戰(zhàn)，并介紹了一種升壓轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器具有高效率、低關(guān)斷電流和低靜態(tài)電流的三重特性，可在單個一次性 AA 上維持兩年的運行電池。

審核編輯：湯梓紅