智能工廠的一個(gè)新興元素是資產(chǎn)管理，即人與機(jī)器的跟蹤。部署跟蹤以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目的 - 作為數(shù)字孿生仿真機(jī)制來評(píng)估工廠車間的低效率，以及作為預(yù)測性維護(hù)機(jī)制來確定即將發(fā)生的故障。在此設(shè)計(jì)解決方案中，我們回顧了使用一次性電池為BLE信標(biāo)供電的挑戰(zhàn)，并介紹了一種穩(wěn)壓器升壓轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器具有高效率、低關(guān)斷電流和低靜態(tài)電流的三重沖擊，可在單個(gè)一次性AA電池上維持其運(yùn)行兩年。

介紹

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，以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)制造 一端，另一端增加吞吐量。這不僅提高了生產(chǎn)力，而且還使生產(chǎn)力得以提高。 可以實(shí)時(shí)識(shí)別和修復(fù)工廠車間的任何故障，而無需太多人工干預(yù)。

在過去的幾十年里，自動(dòng)化一直是提高工廠效率的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。跟 通信、大數(shù)據(jù)、人工智能 （AI） 和物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 的進(jìn)步，我們正在前進(jìn) 越來越接近讓工廠真正智能化。

根據(jù)報(bào)告1 由凱捷研究院和數(shù)字制造服務(wù)公司發(fā)布，Smart 數(shù)字化工廠在未來五年內(nèi)可為全球經(jīng)濟(jì)增加5000億至1.5萬億美元。 該報(bào)告還預(yù)測，未來幾年工廠整體效率將以每年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接性。連接的 工廠使用 IoT 框架連接整個(gè)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(jī)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。可以使用AI來分析從這些連接設(shè)備收集的數(shù)據(jù)來識(shí)別 趨勢、模式以及對(duì)工廠車間日常運(yùn)營和工作的關(guān)鍵見解，最終導(dǎo)致 減少機(jī)器停機(jī)時(shí)間并增加工廠的靈活性。

為了無縫實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，無線信標(biāo)連接到設(shè)備和材料上，使它們可以跟蹤 使用基于智能手機(jī)的簡單應(yīng)用程序或更復(fù)雜的基于服務(wù)器的系統(tǒng)。這些信標(biāo)需要小巧， 具有成本效益且持久， 同時(shí)由廉價(jià)的一次性電池供電.無線技術(shù) 這些應(yīng)用中使用的應(yīng)用可能包括 Wi-Fi、低功耗藍(lán)牙 （BLE）、超寬帶 （UWB） 和射頻識(shí)別 （RFID），每種應(yīng)用都具有不同程度的位置精度、范圍和電池壽命。請(qǐng)注意，這些 標(biāo)準(zhǔn)有時(shí)由其 IEEE 編號(hào)引用，例如 802.11 和 802.15.x。信標(biāo)的發(fā)射功率 （這也取決于需要傳輸數(shù)據(jù)的范圍） 和傳輸頻率 事件對(duì)電池壽命起著重要作用。最后， 信標(biāo)的電子設(shè)備必須盡量減少其對(duì)功耗的影響.?

BLE信標(biāo)通常在許多應(yīng)用中受到青睞，因?yàn)樗鼈兲峁└叨ㄎ痪龋?同時(shí)仍然便宜且功耗低.

在此設(shè)計(jì)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.

典型信標(biāo)系統(tǒng)

圖 2 顯示了典型的信標(biāo)框圖.單節(jié)堿性電池，充電功率高達(dá)2700mAh 通過 DC-DC 升壓穩(wěn)壓器為板載控制器、傳感器和無線電供電。這種情況并不少見 在某些系統(tǒng)中使用單個(gè)紐扣電池，盡管我們?cè)诖嗽O(shè)計(jì)解決方案中使用了AA電池。

圖2.典型的信標(biāo)框圖。

各種傳感器收集數(shù)據(jù)，然后由無線電傳輸?shù)郊惺?a target="_blank">接收器20ms;為 接下來 980ms， 信標(biāo)處于睡眠模式.

在休眠模式下，升壓轉(zhuǎn)換器負(fù)載0.73μA漏電流，而無線電電流脈沖 數(shù)據(jù)傳輸需要3.182mA峰值。升壓轉(zhuǎn)換器負(fù)載曲線如圖3所示。

圖3.信標(biāo)電流配置文件。

在一個(gè)典型的室內(nèi)資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用中，系統(tǒng)必須僅使用單一堿性物質(zhì)即可持續(xù)兩年 電池。典型的升壓穩(wěn)壓器具有 0.2μA 的漏電流、10μA 的靜態(tài)電流、85% 峰值 效率低時(shí)效率達(dá) 50%。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(jì)算平均電流：

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

挑戰(zhàn)

以小尺寸實(shí)現(xiàn)高效率對(duì)任何穩(wěn)壓器來說都是一個(gè)挑戰(zhàn)。增加頻率 穩(wěn)壓器的運(yùn)行將減小無源器件的尺寸，但會(huì)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至關(guān)重要， 由于電池電壓在運(yùn)行過程中持續(xù)下降。室內(nèi)跟蹤應(yīng)用的激增 需要多個(gè)定制版本的穩(wěn)壓器，特別是在輸入/輸出電壓和電流規(guī)格方面。因此， 信標(biāo)制造商可能被迫維護(hù)不同監(jiān)管機(jī)構(gòu)的大量且昂貴的庫存以及支持它們所需的無源器件.

最先進(jìn)的解決方案

理想的解決方案是負(fù)載感知型穩(wěn)壓器，以解決這些缺點(diǎn)，即連續(xù) 監(jiān)控系統(tǒng)的電流消耗行為。MAX17222毫微功耗同步升壓轉(zhuǎn)換器就是這樣一種 裝置。它提供高效率、400mV 至 5.5V 輸入范圍、0.5A 峰值電感器電流限值和輸出 可使用單個(gè)標(biāo)準(zhǔn) 1% 電阻器選擇的電壓。新穎的真關(guān)斷?模式可產(chǎn)生漏電流 在納安范圍內(nèi)，使其成為真正的毫微功耗器件。

圖4顯示了IC在關(guān)斷和靜態(tài)電流方面的基本要素。

圖4.關(guān)斷和靜態(tài)電流。

真正的關(guān)斷電流優(yōu)勢

真關(guān)斷功能將輸出與輸入斷開，無正向或反向電流，從而產(chǎn)生 極低的漏電流。如果使用上拉電阻使能/禁用操作，則上拉電流為 True 還必須考慮關(guān)斷模式。相反，如果使能（EN）引腳由推挽式外部驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)， 由不同的電源供電，則沒有上拉電流，關(guān)斷電流僅為0.5nA，遠(yuǎn)低于前面討論的典型情況的0.2μA。

靜態(tài)電流優(yōu)勢

參考圖4，輸入靜態(tài)電流（I秦） 為 0.5nA （啟動(dòng)后使能開路） 和 輸出靜態(tài)電流（I庫特） 為 300nA。要計(jì)算總輸入靜態(tài)電流，附加 饋送輸出電流所需的輸入電流（IQOUT_IN） 必須添加到 I秦.由于輸出功率為 與輸入功率的關(guān)系與效率（P外= P在x ？），因此：

我QOUT_IN= I庫特x （V外/V在)/η

如果 V在= 1.5V， V外= 3.3V，低電流時(shí)效率η = 57.5%，我們有：

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

將1148nA與0.5nA的輸入電流相加，得到1148.5nA的總輸入靜態(tài)電流（I清特). 該靜態(tài)電流比典型升壓穩(wěn)壓器的10μA低9倍，如 以前的案例。

效率優(yōu)勢

升壓轉(zhuǎn)換器 IC 具有低 R德森、板載動(dòng)力總成 MOSFET 晶體管，可產(chǎn)生出色的效率 即使在足夠高的頻率下工作，也能保證較小的整體 PCB 尺寸（圖 5）。

圖5.高效率。

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

表 1.兩個(gè)穩(wěn)壓器的電池壽命比較

啟用瞬態(tài)保護(hù)模式

該 IC 包括一個(gè)使能瞬態(tài)保護(hù) （ETP） 模式選項(xiàng)。當(dāng)存在上拉電阻時(shí)，由輸出電容供電的額外片內(nèi)電路可確保EN在輸入端發(fā)生短暫瞬態(tài)干擾時(shí)保持高電平。在這種情況下，上面計(jì)算的靜態(tài)電流增加了幾十納安。

物料清單優(yōu)勢和智能 V外選擇

MAX17222采用傳統(tǒng)的電阻分壓器，用于設(shè)置輸出電壓值，采用單路輸出選擇電阻（RSEL），如圖 4 所示。該芯片使用專有方案來讀取 RSEL僅在啟動(dòng)時(shí)消耗高達(dá) 200μA 的值。單個(gè)標(biāo)準(zhǔn) 1% 電阻器設(shè)置 33 種不同輸出之一 電壓，以1.8V至5V之間的100mV增量隔開。結(jié)果是 BOM 略有減少（少一個(gè)電阻） 簡化庫存（單個(gè)穩(wěn)壓器適用于多種應(yīng)用）和更低的靜態(tài)電流。

結(jié)論

由數(shù)字化和互聯(lián)互通驅(qū)動(dòng)的智能工廠概念正被越來越多的人所接受 世界各地的制造商在當(dāng)今瞬息萬變的市場中保持競爭力。這些智能的關(guān)鍵特征 工廠正在定位和監(jiān)控整個(gè)工廠車間的資產(chǎn)。收集的數(shù)據(jù)可以立即 實(shí)時(shí)分析和采取行動(dòng)，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)航需要小型、經(jīng)濟(jì)高效且持久的無線信標(biāo) 同時(shí)由廉價(jià)的一次性電池供電。在此設(shè)計(jì)解決方案中，我們回顧了為 BLE信標(biāo)并引入了升壓轉(zhuǎn)換器，由于效率高的三重沖擊，低關(guān)斷 電流和低靜態(tài)電流可在單個(gè)一次性 AA 電池上維持其運(yùn)行兩年。

審核編輯：郭婷