背景知識

車輛跟蹤系統非常適合監控單輛車或整個車隊。跟蹤系統由自動跟蹤硬件和數據采集軟件（如果需要的話，還有數據傳輸）組成。2015年全球車隊管理市場規模為80億美元，預計到2022年將超過220億美元，從2016年至2023年的年均復合增長率超過20%（資料來源：Global Market Insights）。拉丁美洲、中東和非洲等地區對商用車的需求不斷增長，這也是一個潛在的增長機會。在歐洲和北美等發達地區，物聯網(IoT)技術在車輛中的集成預計將提升車輛跟蹤系統的采用率，盡管集成的高成本減緩了這一進程。此外，亞太地區車輛跟蹤市場規模在預測期內預計會大幅增長，日本、印度和中國是主要推動國家。這些新興市場潛力巨大，主要是因為它們有大量商用車。

主動與被動跟蹤器

主動和被動跟蹤器收集數據的方式相同，而且同樣精確。這兩種類型的主要區別與時間相關。主動式跟蹤器也被稱為實時跟蹤器，因為它們通過衛星或蜂窩網絡傳輸數據，可即時指示車輛所在位置。這樣，電腦屏幕就可以實時顯示其運動。這使得主動跟蹤成為有意提高送貨效率并監控員工駕駛情況的企業的最佳選擇。主動式跟蹤器還有地理圍欄功能（可以把此特性想像為強制領域），當車輛進入或離開預定位置時提供警報（資料來源：RMT Corporation）。此類系統還有助于防止偷竊，幫助找回被盜車輛。當然，主動式GPS跟蹤設備比被動式更昂貴，并且需要支付每月服務費。

另一方面，被動式跟蹤器成本更低，體積更小，更容易隱藏。缺點是數據存儲有限。信息存儲在設備上，而不是將數據傳輸到遠程位置。要查看其中的任何信息，必須從車輛上取下跟蹤器并插入計算機中。此類系統適用于為工作目的而記錄里程的人員，或有意減少車輛濫用的企業。此外，它們也經常被選用來監視人的行為（想想偵探工作）。如果不需要立即反饋，并且有定期檢查設備數據的規劃，那么被動跟蹤器是一個不錯的選擇。

這兩類跟蹤器本質上都很便攜，并且具有相對較小的外形尺寸。因此，它們需要電池供電，而且要求具有備份能力，以便在斷電情況下保存數據。由于較高的汽車系統電壓和電流需要用于對電池進行充電（通常是單節鋰離子電池），相比于線性電池充電IC，開關模式充電器的充電效率更高，而功率損耗產生的熱量更少，因此是更好的選擇。一般來說，嵌入式汽車應用的輸入電壓高達30 V，有的甚至更高。在這些GPS跟蹤系統中，理想的充電器是12 V至單節鋰離子電池（典型值為3.7 V），具有附加保護措施以承受更高輸入電壓（電池失控出現電壓瞬變時），并有某種備份能力。

電池充電IC的設計問題

傳統線性拓撲電池充電器常常因其緊湊的尺寸、簡單性和不高的成本而受到重視。然而，傳統線性充電器有如下缺點：輸入和電池電壓范圍有限，相對電流消耗較高，功耗（發熱）過大，充電終止算法有限，相對效率較低。另一方面，開關模式電池充電器因其拓撲結構、靈活性，多化學充電、高充電效率（產生的熱量極低，支持快速充電）、寬工作電壓范圍而受歡迎。當然，弊端總是存在的。開關充電器的一些缺點包括：成本相對較高，基于電感的設計更為復雜，可能會產生噪聲，解決方案尺寸較大。由于上述優點，現代鉛酸、無線電源、能量收集、太陽能充電、遠程傳感器和嵌入式汽車應用主要使用開關模式充電器。

傳統上，跟蹤器的備用電源管理系統由多個IC、高壓降壓調節器、電池充電器及分立元件組成，并非真正緊湊的解決方案。因此，早期跟蹤系統在外形上并不是非常緊湊。跟蹤系統的典型應用是使用汽車電池和單節鋰離子電池進行存儲和電源備份。

那么，跟蹤系統為什么需要更高集成度的電源管理解決方案？主要原因是跟蹤器本身的尺寸需要縮小，這個市場奉行越小越好。此外還需要安全地給電池充電，保護IC免受電壓瞬變的影響，需要進行電源系統備份以防系統電源消失或失效，并且需要為通用分組無線服務(GPRS)芯片組提供相對較低的電源電壓（約4.45 V）。

備用電源管理器

為實現上述目標，集成備用電源管理器和充電器解決方案需要具備以下特性：

► 高效率的同步降壓拓撲結構
► 寬輸入電壓范圍以適應各種輸入電源，并具有針對高壓瞬變的保護
► 適當的電池充電電壓以支持GPRS芯片組
► 帶有板載充電終止功能的簡單自主操作（無需微控制器）
► PowerPath控制，發生電源故障事件時可以在輸入電源與備用電源之間無縫切換；如果發生輸入短路，它還需要提供反向阻斷
► 當輸入不存在或發生故障時，通過備用電池為系統負載供電
► 由于空間限制，解決方案的尺寸和厚度應很小
► 采用先進封裝以提高散熱性能和空間效率

為了滿足這些具體需求，ADI公司最近推出了一款完整的備用鋰離子電池管理系統LTC4091，它在主電源長時間失效期間可讓3.45 V至4.45 V供電軌保持活動狀態。LTC4091采用具有自適應輸出控制能力的36 V單片式降壓轉換器為系統負載供電，并通過降壓器輸出實現高效率電池充電。當外部電源可用時，該器件可提供高達2.5 A的總輸出電流，以及為單節4.1 V或4.2 V鋰離子電池提供高達1.5 A的充電電流。如果主輸入電源發生故障，無法再為負載供電，LTC4091將通過內部二極管從備用鋰離子電池為系統輸出負載提供高達4 A的電流；如果使用外部二極管晶體管，LTC4091可提供不受限（相對而言）的電流。為保護敏感的后端負載，最大輸出負載電壓為4.45 V。在電源發生故障期間，器件的PowerPath控制可在輸入電源與備用電源之間無縫切換，并在輸入短路時實現反向阻斷。LTC4091的典型應用包括車隊和資產跟蹤、汽車GPS數據記錄器和遠程信息處理系統、安全系統、通信及工業備份系統。

LTC4091內置60 V絕對最大輸入過壓保護，可令IC不受高輸入電壓瞬變影響。LTC4091的電池充電器提供兩個引腳可選的針對備用鋰離子電池應用進行優化的充電電壓：標準4.2 V電壓和可選4.1 V電壓，后者通過縮短電池運行時間來增加充電/放電循環次數。其他特性包括：軟啟動和頻率折返以控制啟動和過載期間的輸出電流，涓流充電，自動再充電，低電量預充電，充電定時終止，熱調節，以及針對有溫度要求的充電的熱敏電阻引腳。

LTC4091采用薄型(0.75 mm) 22引腳3 mm×6 mm DFN封裝，襯底有金屬焊盤，散熱性能出色。該器件的工作溫度范圍為-40°C至+ 125°C。圖1顯示了其典型應用原理圖。

圖1.LTC4091典型應用原理圖。

熱調節保護

為防止IC或周邊器件受到熱損傷，內部熱反饋環路會在芯片溫度升至約105°C時自動降低編程設置的充電電流。熱調節保護LTC4091免受高功率運行或高環境溫度條件引起的過溫影響，并允許用戶提升給定電路板設計的功率處理能力極限，而不會損壞LTC4091或外部器件。熱調節環路的好處是充電電流可根據實際情況設置，而不是根據最壞情況設置，電池充電器在最壞情況下保證會自動降低電流。

汽車冷啟動運行過程

汽車應用中電源電壓會出現大幅下降，例如在冷啟動過程中，這會導致高壓開關穩壓器失去調節能力，使得VC電壓過高，進而導致VIN恢復時輸出過沖非常大。為防止從冷啟動事件恢復時發生過沖，必須通過RUN/SS引腳復位LTC4091的軟啟動電路。下面的圖2顯示了一個簡單的電路示例，它會自動檢測掉電情況并復位RUN/SS引腳，重新啟用軟啟動特性以防止輸出過沖造成損壞。

圖2.冷啟動穿越電路。

結論

汽車和車隊采用車輛跟蹤系統的比例正在上升?，F代跟蹤器的外形尺寸已經縮小，功能已經增強，支持主動傳輸數據以進行實時跟蹤。此外還需要備份能力和較低電壓來為系統GPRS芯片組供電。ADI公司的LTC4091是一款高電壓、大電流降壓電池充電器和PowerPath備用電源管理器，具有熱調節和其他全面的保護功能，為車輛跟蹤應用提供單芯片、緊湊、強大且靈活的解決方案，從而使設計人員的任務更簡單、更輕松。

Steve Knoth

Steve Knoth [steve.knoth@analog.com]是ADI公司Power by Linear™部門的高級產品營銷工程師。他負責所有電源管理集成電路(PMIC)產品、低壓差穩壓器(LDO)、電池充電器、電荷泵、基于電荷泵的發光二極管驅動器、超級電容器充電器、低壓單片開關穩壓器和理想二極管器件。Steve從1990年起在Micro Power Systems、ADI公司和Micrel Semiconductor擔任過多種營銷和產品工程職位，之后于2004年加入ADI公司（以前的凌力爾特公司）。他于1988年獲得圣何塞州立大學電氣工程學士學位，并于1995年獲得該大學物理學碩士學位。2000年，Steve還獲得了鳳凰城大學技術管理碩士學位(MBA)。除了與孩子們一起享受美好時光之外，Steve還喜歡玩彈球/街機游戲或肌肉車，以及購買、出售、收藏古董玩具和電影/體育/汽車紀念品。