从车辆跟踪系统看电源管理的“Plan B”

 “Plan B”，指原计划搁置后的备用计划，后来喻指凡事都留有退路。这句话套用在对维系电子系统生命的电源系统上依然可行。在终结者系列电影中，T800更是屡屡靠着备用电源力挽狂澜，战胜最终BOSS。

在如今，随着万物互联的物联网时代来临，大大小小的设备设施都需要供电系统。比如车辆跟踪系统的供电系统，呼声日益增高的自动驾驶汽车、共享汽车都是车辆跟踪系统的忠实“粉丝”，独特的汽车跟踪系统其供电系统必须提供“Plan B”

独特的车辆跟踪系统，不一样的供电要求

车辆跟踪系统对于单个车辆以及整个车队的监控都是非常合适的。据资料显示2015年全球车队管理市场规模为80亿美元，预计到2022年将超过220亿美元，从2016年至2023年的年均复合增长率超过20%。拉丁美洲、中东和非洲等地区对商用车的需求不断增长。在欧洲和北美等发达地区，物联网技术在车辆中的集成预计将提升车辆跟踪系统的采用率。追踪器都需要有其产品特点就是便携，小巧。因此它们就只能采用电池供能，并且还必须拥有电源“Plan B”，以便在断电情况下能保存数据。由于较高的汽车系统电压和电流需要对电池进行充电(通常是单节锂离子电池)，传统线性充电器输入和电池电压范围有限、相对电流消耗较高、功耗(发热)过大、以及充电终止算法有限和相对效率较低，开关模式电池充电器因其拓扑结构、灵活性，多化学充电、高充电效率(产生的热量极低，支持快速充电)、宽工作电压范围而受欢迎。

但是开关充电器也有其弊端：成本相对较高，基于电感的设计更为复杂，可能会产生噪声，解决方案尺寸较大。一般来说，嵌入式汽车应用的输入电压高达30 V，有的甚至更高。在这些GPS跟踪系统中，理想的充电器是12 V至单节锂离子电池(典型值为3.7 V)，具有附加保护措施以承受更高输入电压(电池失控出现电压瞬变时)，并有某种备份能力。

跟踪系统为需要更高集成度的电源管理解决方案，因为跟踪器本身的尺寸需要缩小，这个市场奉行越小越好。此外还需要安全地给电池充电，保护IC免受电压瞬变的影响，需要进行电源系统备份以防系统电源消失或失效，并且需要为通用分组无线服务(GPRS)芯片组提供相对较低的电源电压(约4.45 V)。

备用电池管理系统的标准范式

为实现上述目标，集成备用电源管理器和充电器解决方案需要具备以下特性：高效率的同步降压拓扑结构;宽输入电压范围以适应各种输入电源，并具有针对高压瞬变的保护;适当的电池充电电压以支持GPRS 芯片组;带有板载充电终止功能的简单自主操作(无需微控制器);PowerPath 控制，发生电源故障事件时可以在输入电源与备用电源之间无缝切换;如果发生输入短路，它还需要提供反向阻断;当输入不存在或发生故障时，通过备用电池为系统负载供电;由于空间限制，解决方案的尺寸和厚度应很小;采用先进封装以提高散热性能和空间效率。

针对跟踪器的尺寸以及传统充电器弊端的问题，ADI推出了一款完整的备用锂离子电池管理系统LTC4091，它在主电源长时间失效期间可让3.45 V 至4.45 V供电轨保持活动状态。

LTC4091采用具有自适应输出控制能力的36 V单片式降压转换器为系统负载供电，并通过降压器输出实现高效率电池充电。当外部电源可用时，该器件可提供高达2.5 A的总输出电流，以及为单节4.1 V或4.2 V锂离子电池提供高达1.5 A的充电电流。如果主输入电源发生故障，无法再为负载供电，LTC4091将通过内部二极管从备用锂离子电池为系统输出负载提供高达4 A的电流;如果使用外部二极管晶体管，LTC4091可提供不受限的电流。为保护敏感的后端负载，最大输出负载电压为4.45 V。

从常规问题着手，实现更全面的保护功能

在汽车应用中，电源管理IC的热性能是非常重要的。ADI这款电源管理系统内部安装有热反馈环路，会在芯片温度升至约105°C时自动降低编程设置的充电电流。热调节环路的好处是充电电流可根据实际情况设置，电池充电器在最坏情况下保证会自动降低电流。热调节保护LTC4091免受高功率运行或高环境温度条件引起的过温影响，并允许用户提升给定电路板设计的功率处理能力极限，而不会损坏LTC4091或外部器件。

夜间启动车辆，在发动机的启动瞬间，大家都能够明显感觉到车辆内部灯暗一下，然后又变亮。这是因为在冷启动过程中，汽车应用的电源电压会出现大幅下降。这导致高压开关稳压器失去调节能力，使得VC电压过高，进而导致VIN恢复时输出过冲非常大。为防止从冷启动事件恢复时发生过冲，必须通过RUN/SS引脚复位LTC4091的软启动电路。上图显示了冷启动穿越电路示例，它会自动检测掉电情况并复位RUN/SS引脚，重新启用软启动特性以防止输出过冲造成损坏。

结语

在当今持续运转的世界里，电子系统稳定电源保障是越来越常见的需求，系统电源的任何故障，无论是瞬时、以秒计还是以分钟计的故障都必须在设计过程中加以考虑。例如当今有许多应急和备用系统用来为楼宇系统提供备用电源，以保证安保系统和关键设备能够在断电期间保持运行。本文提及的追踪器只是LTC4091这种电源Plan B应用的冰山一角，其还包括资产跟踪、汽车GPS数据记录器和远程信息处理系统、安全系统、通信及工业备份系统。