供应链的准时制理念要求源源不断的进港货物以满足客户订单，了解其位置至关重要
作者：Milan Ivkovic和Karl Lehnhoff，EBV Elektronik
 
物联网已经改变了许多商业运营和消费者服务，电池供电的无线连接资产跟踪器的开发继续采用物联网技术。
资产跟踪器包含用于确定其位置的电路功能，并使用唯一标识符将位置数据传递给中央跟踪控制系统。根据跟踪的货物类型，跟踪器可以放置在运输集装箱外，而材料放在托盘上或运输车辆上。资产跟踪器通常是独立的，并通过电池电源进行操作，以提供最大的灵活性。因此，了解资产跟踪器的功耗情况极为重要。
资产跟踪器的另一个方面是，由于它通常可以通过蜂窝无线链路发送位置数据，因此它还可以发送少量可能有用的附加信息。有些货物可能规定了严格的温度控制条件，因此发送托运货物的温度可以对运输过程中的环境条件进行审核。容易受到机械冲击损坏的货物将受益于不断监测加速力和冲击。传感器可以提供有关各种环境、机械和位置参数的信息。图1说明了无线资产跟踪器的主要功能块。
 

图1：电池供电的无线连接资产跟踪器的主要功能块——关键模拟功能在阴影区域突出显示（来源ST）
 
资产跟踪器设计挑战
可靠性是独立资产跟踪器的关键设计要求。通过电池维持数周和数月的运行强调了超低功耗设计。在发送定期跟踪更新时，这是最小化功耗和提高功率需求之间的微妙平衡。需要对三个设计考虑因素进行深入审查。
高效DC-DC转换和调节
影响电池选择的因素包括其容量、物理形状和尺寸以及输出电压。电池电压可能无法满足所有所需的电路电压，因此需要进行DC-DC转换，以升压或降压供电轨。此外，电池电压通常会随着电荷的减少而略有降低，因此应采用严格的电压调节，以防止跟踪器行为不稳定。
蓄电池电流和电压监测
电池的放电状态是跟踪器工作状态的重要指示器。通过监测终端电压和负载电流，可以将其与位置数据和其他重要传感器数据一起发送到主机监控应用程序。由于监控电路也依赖电池供电，因此这些功能也必须具有低功耗特性。
快速精确的模拟传感器设计和信号处理
分立模拟传感器电路和数字传感器IC也应具有低功耗证书。运算放大器是设计低功率传感器元件和信号调节电路的一种流行方法。示例包括电池电流和电压测量功能以及温度、湿度、压力和应变参数。这些电路中使用的运算放大器也应提供快速测量能力。在主动操作期间，功耗将增加，传感器记录精确值的持续时间是关键。
 
为低功耗无线跟踪器选择模拟和电源管理组件
让我们从功率转换和调节开始，研究一些适用于低功率资产跟踪器的模拟和功率管理组件。
ST1PS02系列是STMicroelectronics生产的纳安静态降压DC-DC转换器的一个示例。该转换器的空载电流消耗仅为500毫安，在提供10毫安负载时效率为92%，在满载时可提供高达400毫安的电流。ST1PS02专为紧凑型可穿戴消费电子产品和便携式工业传感器设计，采用2 mm x 1.7 mm x 0.55 mm的微型TQFN1 2塑料封装。图2展示了示例用例中使用的器件。只需一个电感器、一些小型去耦电容器和两个电阻器即可实现DC-DC转换器电路的所有功能。
 

图2：使用高效ST1PS02 400 mA 超低静态同步降压DC-DC转换器的示例应用，具有数字可选输出电压（来源ST）
 
ST1PS02系列的输入电压范围为1.8 V至5.5 V，可提供1.0 V至3.3 V之间的单个可选输出电压（取决于器件）。逻辑输入D0、D1、D2确定可在PCB上硬接线的精确输出电压设置。或者，可以从MCU控制输出电平，以根据应用要求优化电压电平。如果输入低于1.57 V，欠压锁定功能将禁用输出。输出电压调节保持在标称输出的+/-1.5%范围内。
另一种适用于资产跟踪器应用的低功耗管理IC是STLQ020系列。该200 mA低压差稳压器可调节2 V至5.5 V之间的输入电压，空载功耗为300 nA。该系列具有0.8 V至4.5 V范围内的固定输出电压，或具有可调输出电压。图3显示了STLQ020系列固定输出电压变体的内部架构。
 

图3：低功耗200 mA超低静态电流LDO的内部架构（来源ST）
 
如前所述，测量电池电压和负载电流可提供资产跟踪器健康状态的可靠指示。超低功率运算放大器提供了一种可行的测量低电流的方法。合适的器件包括来自ST的TSU101和TSU111。例如，TSU101是一种580毫安/通道运算放大器，能够在1.5V到5.5V的低电源电压范围内进行轨对轨操作。8 kHz增益带宽乘积使其适合于一系列电池供电的便携式传感器和信号调节应用。
图4显示了使用分流电阻器测量电流的示例电流传感应用。通过分压器的输入电压偏移需要一个低偏置电流运算放大器，以防止影响电流测量。图4中突出显示的ST TSU111运算放大器具有高精度，通常为150μV、 11.5 kHz增益带宽、10 pA输入偏置电流，零漂移技术提供了温度稳定性和高精度。
 

图4：使用TSU111超低功率高精度运算放大器的电流测量参考电路（来源ST）
 
我们可以通过调整电阻（Rsense=100 mΩ）和Vref来测量不同的输入电流范围。临界因素是能够测量的绝对最小电流。在该电路中，从Rsense到运算放大器的阻抗很高，因此消耗的电流可以忽略不计。
关键是来自运算放大器的偏置电流，它流经100欧姆电阻器。如图4所示，即使是一个mV过感应电阻器，也会产生误差和大于所选运算放大器150 μV数量级的偏移电压的。
另一个传感示例是资产跟踪器测量环境温度。图5突出显示了使用ST STLM20精密模拟超低电流温度传感器和ST TS883轨对轨超低功率双比较器的简单传感器示例。
 

图5：包含ST TS883超低功率比较器的模拟温度传感器电路示例（来源ST）
 
TS883的两个比较器配置为监测中心温度+25°C±10°C范围内的环境温度。电阻器R1、R2、R3创建分压器以设置两个比较器参考电压。在25°C时，输出电压为1.574 V，最高温度极限为35°C，输出为1.457 V，在较低阈值15°C时，输出为1.691 V。有关如何创建类似设计以及如何计算电阻值的更多详细信息，请参阅ST应用说明AN4071。
TS883是一个轨对轨0.9 V开漏双比较器。每个比较器的电流消耗通常为250毫安。
 
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