Asset-Tracker länger arbeiten lassen
Ein geringstmöglicher Ruhestrom ist entscheidend
Asset-Tracker müssen je nach ihrer spezifischen Anwendung mehrere Wochen bis zu einige Jahre im Feld arbeiten und werden nur durch kleine Batterien versorgt. Deshalb ist eine minimale Stromaufnahme im Deep-Sleep-Modus entscheidend. Wie das gelingt, lesen Sie hier.
In diesem Design-Beispiel wird ein typisches Asset-Tracking-System vorgestellt und gezeigt, wie die Nanopower-Abwärtswandler der Familie »MAX3864x« mit ihrem hohen Wirkungsgrad und ihrer geringen Größe eine längere Batterielebensdauer in kleinen tragbaren Geräten ermöglichen.
Der Markt boomt
Neue, verbrauchsarme Datenverbindungen sorgen dank ihrer geringen Einsatzkosten für eine wachsende Verbreitung von Geräten zur Anlagenverfolgung. Die Auswirkungen sind in zahlreichen Anwendungen zu sehen, insbesondere im Transport- und Lieferkettenmanagement.
In einer typischen Asset-Tracking-Anwendung liefert ein Sensor aktuelle Daten von einem bestimmten Standort aus, indem er Daten über Temperatur, Feuchtigkeit, Druck und Bewegung überträgt. Der Sensor muss dabei nur geringe Datenmengen übertragen, was zu einer höheren Reichweite und einem äußerst geringen Stromverbrauch führt, was wiederum die Langlebigkeit des Geräts deutlich erhöht. Die Batterie des Sensors muss mehrere Wochen bis einige Jahre halten. Asset-Tracking kann je nach Anwendung den Einsatz mehrerer Tracker-Geräte erfordern. Dementsprechend müssen diese Asset-Tracker-Geräte zudem klein, tragbar und kostengünstig sein.
In dem gezeigten Design werden die Herausforderungen an das Energiemanagement eines typischen batteriebetriebenen Asset-Trackers diskutiert und ein Beispiel mit einem kleinen, hocheffizienten Abwärtswandler gezeigt.
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Asset-Tracking-Netzwerke
Bild 1 zeigt eine typische Tracking-Kommunikationskette. Das zu verfolgende Asset sendet die Daten über eine Funkbake, die über ein spezielles Mobilfunknetz einen Server erreicht. Von hier aus gelangen die Daten in das Unternehmensportal für Asset-Management und Analysen.
Eine neue Generation von Beacons verbindet sich direkt mit dedizierten Mobilfunknetzen (LTE-M, NB-IoT) und macht die Verwendung von Bluetooth zur Kommunikation mit einem Gateway überflüssig. Diese Technologien können sehr unterschiedlich sein, zeichnen sich aber durch eine niedrige Stromaufnahme aus, sodass eine Batterielebensdauer von mehreren Jahren möglich wird (Tabelle).
Typisches Asset-Tracking-System
Bild 2 zeigt ein typisches Blockdiagramm eines Asset-Trackers. Die drei in Reihe geschalteten Alkalibatterien liefern eine Ladung von 2000 mAh. Ein Abwärtsregler versorgt den eingebauten Controller, die Sensoren und das Funksystem.
Für anspruchsvolle Asset-Tracking-Anwendungen muss das System ein Jahr lang mit drei Alkalibatterien auskommen, wobei das Gerät im Deep-Sleep-Modus (Tiefschlaf) nur 100 µA verbraucht und einmal pro Tag für etwa 2 Minuten beim Übertragen der Daten 100 mA aufnimmt (Bild 3). Zwar können die Ströme je nach Leistungsstufe und anderen von den LTE-M- oder NB-IoT-Asset-Trackern unterstützten Optionen höher sein, für unsere Überlegungen bleiben wir jedoch im Bereich von 100 µA bis 100 mA.
Erfordert die Anwendung eine hohe Leistung, müssen die einzelnen Blöcke sorgfältig ausgewählt werden, um die Leistungsaufnahme zu minimieren. Der Abwärtsregler muss über einen weiten Bereich von 100 µA bis 100 mA einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. Denn ein durchschnittlicher Wirkungsgradverlust von nur 4 Prozent durch den Abwärtswandler führt bereits zu einer Verkürzung der Einsatzzeit von etwa zwei Wochen.
Extrem niedriger Ruhestrom
Der Ruhestrom des Abwärtswandlers ist deshalb besonders wichtig, da sich das Gerät die meiste Zeit im Tiefschlaf- oder Ruhemodus befindet und nur 100 µA oder weniger aufnimmt. Bei VOUT = 1,8 V beträgt die Ausgangsleistung im Tiefschlaf POUT = 1,8 V · 100 µA = 180 µW. Bei einem Wirkungsgrad von η = 90 Prozent beträgt die Eingangsleistung
Wenn der Abwärtswandler nicht sorgfältig ausgewählt wird und deshalb beispielsweise einen typischen Ruhestrom von 3 µA und eine Eingangsspannung von 3,6 V aufweist, ergibt sich eine zusätzliche Verlustleistung von
Damit beläuft sich der endgültige Wirkungsgrad dieses Abwärtswandlers auf
Das heißt: Ein Ruhestrom von 3 µA beraubt den Abwärtswandler um 4 Effizienzpunkte und entlädt die Batterie deutlich schneller!
Ein Abwärtswandler mit 300 nA Ruhestrom hingegen verringert den Wirkungsgrad kaum und senkt diesen nur um einen halben Prozentpunkt. Für Asset-Tracking-Anwendungen ist es also von entscheidender Bedeutung, einen Abwärtswandler mit extrem niedrigem Ruhestrom zu wählen, da das System die meiste Zeit im Ruhemodus verbringt und auf eine Batterie angewiesen ist.
Nanopower-Abwärtswandler
Ein Beispiel für einen Abwärtswandler mit hohem Wirkungsgrad ist der in Bild 4 gezeigte Nanopower-DC/DC-Abwärtswandler. Er zeichnet sich durch einen extrem niedrigen Ruhestrom von nur 330 nA aus, arbeitet mit einer Eingangsspannung von 1,8 bis 5,5 V und unterstützt Lastströme von bis zu 175 mA bei einem Spitzenwirkungsgrad von 96 Prozent. Im Schlafmodus zieht er lediglich 5 nA Abschaltstrom. Der Baustein ist in einem platzsparenden 1,42 mm × 0,89 mm großen 6-Ball-Wafer-Level-Gehäuse (2 × 3 Ball WLP, 0,4 mm Abstand) untergebracht.
Wenn aufgrund des Leistungspegels in den NB-IoT- oder LTE-M-Netzen höhere Ströme gewünscht werden, können Entwickler auf andere Nanopower-Mitglieder dieser Bauteilfamilie mit höheren Strömen zurückgreifen.
Der Grundriss einer Nanopower-Abwärtswandlerschaltung ist in Bild 5 dargestellt. Durch das WLP-Gehäuse, den Betrieb mit hoher Schaltfrequenz und die damit kleinen externen Passivkomponenten beträgt die Netto-Leiterplattenfläche des Abwärtswandlers nur 7,1 mm2.
Vorteile beim Wirkungsgrad
Bild 6 zeigt die Wirkungsgradkurve des Abwärtswandlers mit einer 3,6-V-Eingangsspannung und einer 1,8-V-Ausgangsspannung. Die synchrone Gleichrichtung bei hoher Last und der gepulste Betrieb bei leichter und ultraleichter Last gewährleisten einen hohen Wirkungsgrad über einen weiten Betriebsbereich.
Mit einem hohen Wirkungsgrad von 87,5 Prozent bei 100 µA und 92 Prozent bei 100 mA eignet sich der IC ideal für Asset-Tracking-Anwendungen. Dieser Abwärtswandler hat den Vorteil, dass er im Vergleich zu alternativen Produkten einen um mehrere Effizienzpunkte höheren Wirkungsgrad aufweist.
Die Vorteile des hohen Wirkungsgrads und des geringen Platzbedarfs gehen Hand in Hand, was zu einer geringeren Wärmeentwicklung führt. Dies hilft bei der Entwicklung kleinerer, kühlerer Asset-Tracker, was die Sorge vor einer Überhitzung des Geräts verringert.
Schlussfolgerung
Asset-Tracker müssen je nach Anforderungsprofil unterschiedlich lange im Feld durchhalten, das heißt, dass die in den Asset-Trackern verwendeten, kleinen Batterien den Betrieb unterschiedlich lange aufrechterhalten müssen, angefangen bei einigen Wochen bis hin zu ein paar Jahren. Deshalb ist eine sorgfältige Auswahl der einzelnen Blöcke notwendig, um die Stromaufnahme zu minimieren. Darüber hinaus muss der Abwärtsregler über einen breiten Eingangsstrombereich von einigen zehn Mikroampere bis zu Hunderten von Milliampere effizient arbeiten. Die Nanopower-Abwärtswandler der Familie MAX3864x bieten mit ihrem hohen Wirkungsgrad und ihrer geringen Größe eine ideale Stromversorgung für Asset-Tracking-Anwendungen.
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