三重沖孔延長智能工廠室內BLE信標的使用壽命

智能工廠的一個新興元素是資產管理，即人與機器的跟蹤。部署跟蹤以實現兩個目的 - 作為數字孿生仿真機制來評估工廠車間的低效率，以及作為預測性維護機制來確定即將發生的故障。在此設計解決方案中，我們回顧了使用一次性電池為BLE信標供電的挑戰，并介紹了一種穩壓器升壓轉換器，該轉換器具有高效率、低關斷電流和低靜態電流的三重沖擊，可在單個一次性AA電池上維持其運行兩年。

介紹

工業4.0為我們提供了智能工廠，這些工廠高度數字化并連接起來，以實現自適應制造 一端，另一端增加吞吐量。這不僅提高了生產力，而且還使生產力得以提高。 可以實時識別和修復工廠車間的任何故障，而無需太多人工干預。

在過去的幾十年里，自動化一直是提高工廠效率的關鍵驅動力。跟 通信、大數據、人工智能 （AI） 和物聯網 （IoT） 的進步，我們正在前進 越來越接近讓工廠真正智能化。

根據報告1 由凱捷研究院和數字制造服務公司發布，Smart 數字化工廠在未來五年內可為全球經濟增加5000億至1.5萬億美元。 該報告還預測，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 框架連接整個工廠車間的設備、資產和傳感器。這些傳感器和 設備不僅從工具和機器中收集數據，還從材料、貨物、室內車輛甚至 工廠車間的人員?？梢允褂肁I來分析從這些連接設備收集的數據來識別 趨勢、模式以及對工廠車間日常運營和工作的關鍵見解，最終導致 減少機器停機時間并增加工廠的靈活性。

為了無縫實現這一點，無線信標連接到設備和材料上，使它們可以跟蹤 使用基于智能手機的簡單應用程序或更復雜的基于服務器的系統。這些信標需要小巧， 具有成本效益且持久， 同時由廉價的一次性電池供電.無線技術 這些應用中使用的應用可能包括 Wi-Fi、低功耗藍牙 （BLE）、超寬帶 （UWB） 和射頻識別 （RFID），每種應用都具有不同程度的位置精度、范圍和電池壽命。請注意，這些 標準有時由其 IEEE 編號引用，例如 802.11 和 802.15.x。信標的發射功率 （這也取決于需要傳輸數據的范圍） 和傳輸頻率 事件對電池壽命起著重要作用。最后， 信標的電子設備必須盡量減少其對功耗的影響.?

BLE信標通常在許多應用中受到青睞，因為它們提供高定位精度， 同時仍然便宜且功耗低.

在此設計解決方案中， 我們回顧了為 BLE 信標供電的挑戰，并展示了高效的板載穩壓器如何延長其電池壽命.

典型信標系統

圖 2 顯示了典型的信標框圖.單節堿性電池，充電功率高達2700mAh 通過 DC-DC 升壓穩壓器為板載控制器、傳感器和無線電供電。這種情況并不少見 在某些系統中使用單個紐扣電池，盡管我們在此設計解決方案中使用了AA電池。

圖2.典型的信標框圖。

各種傳感器收集數據，然后由無線電傳輸到集中式接收器20ms;為 接下來 980ms， 信標處于睡眠模式.

在休眠模式下，升壓轉換器負載0.73μA漏電流，而無線電電流脈沖 數據傳輸需要3.182mA峰值。升壓轉換器負載曲線如圖3所示。

圖3.信標電流配置文件。

在一個典型的室內資產跟蹤應用中，系統必須僅使用單一堿性物質即可持續兩年 電池。典型的升壓穩壓器具有 0.2μA 的漏電流、10μA 的靜態電流、85% 峰值 效率低時效率達 50%。假設輸入電壓為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168μA的平均電流將導致電池在兩年內下降61天。

挑戰

以小尺寸實現高效率對任何穩壓器來說都是一個挑戰。增加頻率 穩壓器的運行將減小無源器件的尺寸，但會導致損耗增加，從而 降低其效率。將穩壓器的輸入工作范圍降至幾分之一伏至關重要， 由于電池電壓在運行過程中持續下降。室內跟蹤應用的激增 需要多個定制版本的穩壓器，特別是在輸入/輸出電壓和電流規格方面。因此， 信標制造商可能被迫維護不同監管機構的大量且昂貴的庫存以及支持它們所需的無源器件.

最先進的解決方案

理想的解決方案是負載感知型穩壓器，以解決這些缺點，即連續 監控系統的電流消耗行為。MAX17222毫微功耗同步升壓轉換器就是這樣一種 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 可使用單個標準 1% 電阻器選擇的電壓。新穎的真關斷?模式可產生漏電流 在納安范圍內，使其成為真正的毫微功耗器件。

圖4顯示了IC在關斷和靜態電流方面的基本要素。

圖4.關斷和靜態電流。

真正的關斷電流優勢

真關斷功能將輸出與輸入斷開，無正向或反向電流，從而產生 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 還必須考慮關斷模式。相反，如果使能（EN）引腳由推挽式外部驅動器驅動， 由不同的電源供電，則沒有上拉電流，關斷電流僅為0.5nA，遠低于前面討論的典型情況的0.2μA。

靜態電流優勢

參考圖4，輸入靜態電流（I秦） 為 0.5nA （啟動后使能開路） 和 輸出靜態電流（I庫特） 為 300nA。要計算總輸入靜態電流，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的總輸入靜態電流（I清特). 該靜態電流比典型升壓穩壓器的10μA低9倍，如 以前的案例。

效率優勢

升壓轉換器 IC 具有低 R德森、板載動力總成 MOSFET 晶體管，可產生出色的效率 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。

升壓轉換器在峰值電流、1.15μA 靜態電流和 0.5nA 關斷電流下的效率為 92.5%，因此信標的使用壽命比典型穩壓器長兩個多月（見表 1）。

表 1.兩個穩壓器的電池壽命比較

啟用瞬態保護模式

該 IC 包括一個使能瞬態保護 （ETP） 模式選項。當存在上拉電阻時，由輸出電容供電的額外片內電路可確保EN在輸入端發生短暫瞬態干擾時保持高電平。在這種情況下，上面計算的靜態電流增加了幾十納安。

物料清單優勢和智能 V外選擇

MAX17222采用傳統的電阻分壓器，用于設置輸出電壓值，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僅在啟動時消耗高達 200μA 的值。單個標準 1% 電阻器設置 33 種不同輸出之一 電壓，以1.8V至5V之間的100mV增量隔開。結果是 BOM 略有減少（少一個電阻） 簡化庫存（單個穩壓器適用于多種應用）和更低的靜態電流。

結論

由數字化和互聯互通驅動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今瞬息萬變的市場中保持競爭力。這些智能的關鍵特征 工廠正在定位和監控整個工廠車間的資產。收集的數據可以立即 實時分析和采取行動，無需操作員的持續監督。工廠室內 定位和室內導航需要小型、經濟高效且持久的無線信標 同時由廉價的一次性電池供電。在此設計解決方案中，我們回顧了為 BLE信標并引入了升壓轉換器，由于效率高的三重沖擊，低關斷 電流和低靜態電流可在單個一次性 AA 電池上維持其運行兩年。

審核編輯：郭婷