Comment alimenter et protéger les dispositifs de suivi des actifs de véhicules pour garantir un fonctionnement fiable ?

Les défis modernes en matière de logistique et de chaîne d'approvisionnement peuvent être relevés en mettant en œuvre le suivi des actifs de véhicules dans les flottes de véhicules commerciaux afin de garantir rendement et efficacité. Toutefois, les concepteurs de dispositifs de suivi des actifs de véhicules doivent mettre au point des systèmes robustes, pour des environnements électriques difficiles, des niveaux élevés de chocs et de vibrations, ainsi que des plages de températures de fonctionnement étendues. Dans le même temps, ils doivent continuer à répondre à des exigences croissantes en matière de performances, de rendement et de protection, tout en recourant à des facteurs de forme plus petits et à des plages de tensions d'entrée plus larges, généralement de 4,5 V à 60 V en courant continu (CC).

On ne saurait trop insister sur l'importance de la protection, compte tenu des conditions d'exploitation et de la valeur des actifs. Ces derniers doivent généralement comprendre une protection contre les surintensités, les surtensions, les sous-tensions et les tensions inverses afin de garantir un fonctionnement fiable et de prendre en charge des niveaux élevés de disponibilité.

Concevoir les circuits de conversion de puissance et de protection nécessaires pour répondre à ces exigences opérationnelles en partant de zéro peut constituer un vrai défi. Si cela peut conduire à une conception entièrement optimisée, cette approche risque également d'entraîner des retards dans la mise sur le marché, des dépassements de coûts et des problèmes de conformité. Au lieu de cela, les concepteurs peuvent se tourner vers des circuits intégrés de protection et modules de puissance de convertisseurs CC/CC disponibles dans le commerce.

Cet article passe en revue les besoins en matière d'alimentation des dispositifs de suivi des actifs de véhicules et décrit une architecture typique de gestion de l'alimentation et de protection pour ces dispositifs. Il présente ensuite des modules de convertisseurs CC/CC et des circuits intégrés de protection de Maxim Integrated Products que les concepteurs peuvent utiliser dans ces applications. Des cartes d'évaluation connexes et des directives pour l'agencement des cartes à circuit imprimé sont également fournies.

Exigences en matière d'alimentation d'un dispositif de suivi des actifs de véhicules

La batterie du véhicule est la principale source d'alimentation des dispositifs de suivi. Elle est généralement de 12 volts CC dans les véhicules grand public et de 24 volts CC dans les véhicules commerciaux. Les dispositifs de suivi d'actifs sont vendus comme accessoires sur le marché de l'après-vente et sont supposés être équipés d'une batterie de secours rechargeable d'une capacité suffisante pour durer quelques jours. En outre, ces dispositifs doivent être protégés contre les conditions transitoires et les défaillances du bus d'alimentation du véhicule, et ils comprennent généralement une combinaison de convertisseurs CC/CC abaisseurs et de régulateurs à faible chute de tension (LDO) pour alimenter les éléments du système (Figure 1).

Figure 1 : Le système d'alimentation d'un dispositif typique de gestion de flotte et de suivi des actifs comprend deux ou plusieurs convertisseurs CC/CC abaisseurs, un régulateur LDO et un circuit intégré de protection. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Étant donné qu'ils sont installés après coup, les dispositifs de suivi des actifs doivent être aussi petits que possible pour s'intégrer dans les espaces disponibles. Les composants de conversion de puissance doivent être très efficaces pour permettre une plus longue durée de vie du dispositif et une alimentation de secours plus durable à partir d'une batterie relativement petite. Les dispositifs de suivi des actifs étant généralement placés dans des boîtiers scellés, il est important de minimiser la production de chaleur interne qui pourrait avoir un impact négatif sur la durée de vie et la fiabilité. Par conséquent, le système d'alimentation doit offrir une combinaison optimale de miniaturisation et de rendement élevé. Bien que les régulateurs LDO soient compacts, ils ne constituent pas l'option la plus efficace.

Au lieu de cela, les concepteurs peuvent recourir à des convertisseurs CC/CC abaisseurs synchrones qui offrent des rendements de conversion élevés. Par exemple, un rendement de 72 % est une valeur typique pour une conversion de type abaisseur synchrone de 24 volts à 3,3 volts, contre un rendement de 84 % pour une conversion de 24 volts à 5 volts. L'utilisation de convertisseurs CC/CC synchrones permet de réduire la dissipation thermique, ce qui contribue à une plus grande fiabilité et à la possibilité d'utiliser une batterie de secours plus petite. Le défi consiste à concevoir une solution compacte avec la puissance d'entrée maximale de 60 volts CC requise dans ces applications.

Circuits intégrés abaisseurs synchrones et modules intégrés

Pour atteindre les objectifs de conception en termes de compacité et de rendement, les concepteurs peuvent choisir entre des solutions basées sur des circuits intégrés de convertisseurs CC/CC synchrones ou des modules de convertisseurs CC/CC intégrés. Une solution typique de circuit intégré abaisseur synchrone de 300 mA nécessite un circuit intégré de 2 millimètres carrés (mm²), une inductance d'environ 4 mm², plus plusieurs autres composants passifs, occupant au total 29,3 mm² de surface sur la carte à circuit imprimé. Par comparaison, les modules abaisseurs synchrones intégrés Himalaya μSLIC de Maxim Integrated offrent une solution 28 % plus petite, n'occupant que 21 mm² de surface sur la carte à circuit imprimé (Figure 2).

Figure 2 : Par rapport à la mise en œuvre d'un convertisseur abaisseur classique (à gauche), une solution de module d'alimentation Himalaya μSLIC (à droite) occupe 28 % d'espace carte en moins. (Source de l'image : Maxim Integrated)

À la verticale

Les modules d'alimentation Himalaya μSLIC intègrent l'inductance et le circuit intégré du convertisseur abaisseur verticalement, ce qui permet de réduire considérablement l'espace sur la carte à circuit imprimé par rapport aux solutions planaires typiques. Les modules μSLIC sont conçus pour fonctionner jusqu'à une entrée de 60 volts CC, entre -40 et +125°C. Même avec une intégration verticale, ils restent extrêmement plats et compacts dans un boîtier à 10 broches mesurant 2,6 mm x 3 mm x 1,5 mm de haut (Figure 3).

Figure 3 : Dans un module d'alimentation Himalaya μSLIC, l'inductance est intégrée verticalement sur le circuit intégré afin de minimiser l'espace carte. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Les modules abaisseurs synchrones à haut rendement MAXM15062/MAXM15063/MAXM15064 comprennent un contrôleur intégré, des MOSFET, des composants de compensation et une inductance. Ils ne nécessitent que peu de composants externes pour permettre la mise en œuvre d'une solution CC/CC complète à haut rendement (Figure 4). Ces modules peuvent fournir jusqu'à 300 mA et fonctionnent sur une plage de tensions d'entrée allant de 4,5 à 60 volts CC. Le MAXM15064 présente une sortie réglable de 0,9 à 5 volts CC, tandis que les dispositifs MAXM15062 et MAXM15063 disposent de sorties fixes de respectivement 3,3 et 5 volts CC.

Figure 4 : Le dispositif MAXM15064 ne nécessite que trois condensateurs et deux résistances pour permettre la mise en œuvre d'une solution complète de convertisseur abaisseur. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Ces modules disposent d'une architecture de contrôle en mode courant de crête qui offre les avantages d'une limitation du courant cycle par cycle, d'une protection inhérente contre les courts-circuits et d'une bonne réponse transitoire. Ils affichent un temps de démarrage progressif fixe de 4,1 millisecondes (ms) pour réduire les courants d'appel. Les concepteurs peuvent recourir à ces modules convertisseurs abaisseurs à haut rendement pour rationaliser le processus de conception, réduire les risques de fabrication et accélérer la mise sur le marché.

Kits d'évaluation présentant des conceptions éprouvées

Le kit d'évaluation MAXM15064EVKIT# fournit une conception éprouvée permettant d'évaluer le module abaisseur synchrone MAXM15064 (Figure 5). Il est programmé pour fournir 5 volts CC pour des charges atteignant 300 mA. Il dispose d'un verrouillage en cas de sous-tension en entrée réglable, d'un signal RESET à drain ouvert et d'un mode sélectionnable de modulation de largeur d'impulsion (PWM) ou de modulation d'impulsions en fréquence (PFM). Le mode PFM peut être utilisé pour obtenir un meilleur rendement à faible charge. Il est conforme à la norme CISPR22 (EN55022) de classe B relative aux émissions conduites et rayonnées et offre un rendement de 78,68 % avec une entrée de 48 volts CC et une sortie de 200 mA.

Figure 5 : Le dispositif MAXM15064EVKIT# est un kit d'évaluation avec une sortie de 5 volts CC pour le MAXM15064 qui peut fournir jusqu'à 300 mA. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Circuits intégrés de protection

Les concepteurs peuvent utiliser les circuits intégrés de protection contre les surtensions et les surintensités réglables de la série MAX176xx avec les modules abaisseurs synchrones MAXM1506x afin de parvenir à une solution système complète. Ces circuits intégrés sont conditionnés dans un boîtier TDFN-EP à 12 broches et sont conçus pour protéger les systèmes contre les défauts de tension d'entrée négative et positive de -65 à +60 volts. Ils sont dotés d'un transistor à effet de champ (FET) interne dont la résistance à l'état passant (R_ON) typique n'est que de 260 milliohms (mΩ). La plage de protection contre les surtensions d'entrée est programmable de 5,5 à 60 volts, tandis que la plage de protection contre les sous-tensions d'entrée est réglable de 4,5 à 59 volts. Des résistances externes sont utilisées pour définir les seuils de verrouillage en cas de surtension (OVLO) et de verrouillage en cas de sous-tension (UVLO) en entrée.

La protection de la limite de courant est programmable à l'aide d'une résistance jusqu'à 1 ampère (A) pour aider à contrôler les courants d'appel lors de la charge de grands condensateurs de filtrage de sortie. La limite de courant peut être mise en œuvre selon trois modes : relance automatique, verrouillage ou continu. La tension sur la broche SETI est proportionnelle au courant instantané et peut être lue par un convertisseur analogique-numérique (CAN). Ces circuits intégrés fonctionnent sur une plage de températures comprise entre -40 et +125°C et disposent d'un mécanisme de blocage thermique pour les protéger des températures excessives. Un dispositif de limiteur de surtension en option peut être utilisé dans les applications où des courants de surtension élevés sont attendus en entrée (Figure 6). La gamme compte trois circuits intégrés :

• Le dispositif MAX17608 assure une protection contre les surtensions, les sous-tensions et la tension inverse.
• Le MAX17609 assure une protection contre les surtensions et les sous-tensions.
• Le MAX17610 assure une protection contre la tension inverse.

Figure 6 : Intégration typique des circuits intégrés de protection MAX17608 et MAX17609 montrant le dispositif de limiteur de surtension en option (à gauche) pour les applications avec surtensions élevées en entrée. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Kits d'évaluation pour circuits intégrés de protection

Les kits d'évaluation MAX17608EVKIT, MAX17609EVKIT et MAX17610EVKIT permettent aux concepteurs d'évaluer les performances des dispositifs MAX17608, MAX17609 et MAX17910, respectivement (Figure 7). Par exemple, le MAX17608EVKIT est une carte à circuit imprimé entièrement assemblée et testée pour évaluer le MAX17608. Il est conçu pour une tension de 4,5 à 60 volts et un courant de 1 A, avec une protection contre les sous-tensions, les surtensions et les tensions inverses, ainsi qu'une limite de courant avant/arrière. Le MAX17608EVKIT peut être configuré pour présenter une protection réglable contre les sous-tensions et les surtensions, trois modes de limitation du courant et différents seuils de limitation du courant.

Figure 7 : Des cartes d'évaluation telles que MAX17608EVKIT# pour le MAX17608, sont également disponibles pour les circuits intégrés de protection MAX17609 et MAX17610. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Directives pour l'agencement des cartes à circuit imprimé

Lors de la configuration du MAX1506x et du MAX176xx, certaines directives de base doivent être respectées pour garantir une conception réussie. Exemple pour le MAX1506x :

• Les condensateurs d'entrée doivent être aussi proches que possible des broches IN et GND.
• Le condensateur de sortie doit être aussi proche que possible des broches OUT et GND.
• Les diviseurs de résistance de rétroaction (FB) doivent être aussi proches que possible de la broche FB.
• Utilisez des connexions de charge et des pistes d'alimentation courtes.

Exemple pour le MAX176xx :

• Gardez toutes les pistes aussi courtes que possible ; cela permet de minimiser les inductances parasites et d'optimiser le temps de réponse du commutateur aux courts-circuits de sortie.
• Les condensateurs d'entrée et de sortie ne doivent pas se trouver à plus de 5 mm du dispositif ; plus ils sont près, mieux c'est.
• Les broches IN et OUT doivent être connectées au bus d'alimentation avec des pistes courtes et larges.
• L'utilisation de traversées thermiques entre le plot exposé et le plan de masse est recommandée pour améliorer les performances thermiques, en particulier pour le mode de limitation du courant continu.

Pour référence, la Figure 8 montre les dispositifs MAXM17608 et MAXM15062 et leurs positions respectives dans la chaîne d'alimentation.

Figure 8 : Schéma fonctionnel d'un dispositif de suivi d'actifs typique montrant l'endroit où s'insèrent les convertisseurs abaisseurs synchrones et les circuits intégrés de protection de Maxim Integrated. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Conclusion

Comme indiqué, les concepteurs peuvent recourir à des modules abaisseurs synchrones à haut rendement MAX1506x et à des circuits intégrés de protection MAX176xx pour mettre en œuvre une solution complète d'alimentation et de protection pour les dispositifs de suivi des actifs de véhicules. Si les meilleures pratiques de base sont respectées lors la mise en œuvre, la solution résultante peut être efficace, compacte et robuste, tout en minimisant les risques de fabrication et les problèmes de conformité.

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