使用板载稳压器延长智能工厂室内BLE信标的使用寿命

工业 4.0 为我们提供了智能工厂，这些工厂高度数字化并连接起来，一方面用于自适应制造，另一方面提高了产量。这不仅提高了生产力，而且还可以在不需要太多人工干预的情况下实时识别和修复工厂车间的任何故障。

在过去的几十年里，自动化一直是提高工厂效率的关键驱动力。随着通信、大数据、人工智能 (AI) 和物联网 (IoT) 的进步，我们离让工厂真正智能化的目标越来越近。

根据凯捷研究院和数字制造服务公司发布的一份报告 [1] ，智能数字化工厂可能会在未来五年内为全球经济增加 5000 亿至 1.5 万亿美元。该报告还预测，未来几年工厂的整体效率将以每年 7 倍的速度增长。

建立这些智能数字工厂的重要支柱之一是连通性。互联工厂使用物联网框架连接工厂车间的设备、资产和传感器。这些传感器和设备不仅从工具和机器中收集数据，还从材料、货物、室内车辆甚至工厂车间的人员中收集数据。可以分析从这些连接设备收集的数据，使用 AI 来识别趋势、模式和对工厂车间日常运营和运作的关键见解，最终减少机器停机时间并增加工厂的灵活性。

为了无缝实现这一点，无线信标连接到设备和材料上，使它们可以通过基于智能手机的简单应用程序或更复杂的基于服务器的系统进行跟踪。这些信标需要体积小、成本效益高且使用寿命长，同时由廉价的一次性电池供电。这些应用中使用的无线技术可能包括 Wi-Fi、低功耗蓝牙 (BLE)、超宽带 (UWB) 和射频识别 (RFID)，每种技术都具有不同程度的定位精度、范围和电池寿命。请注意，这些标准有时通过其 IEEE 编号来引用，例如 802.11 和 802.15.x。

信标的传输功率（也取决于需要传输数据的范围）和传输事件的频率对电池寿命起着重要作用。最后，信标的电子设备必须将其对功耗的影响降至最低。

BLE 信标通常在许多应用中受到青睐，因为它们提供高定位精度，同时价格低廉且功耗低。

在此设计解决方案中，我们回顾了为 BLE 信标供电的挑战，并展示了高效的板载稳压器如何延长其电池寿命。

图 1：智能工厂中的蓝牙信标。

典型的信标系统

图 2显示了一个典型的信标框图。单节碱性电池可提供高达 2,700 mAh 的电量，通过 DC-DC 升压稳压器为车载控制器、传感器和无线电供电。尽管我们在此设计解决方案中使用了 AA 电池，但在某些系统中看到单个纽扣电池并不少见。

图 2：典型的信标框图。

各种传感器收集数据，然后通过无线电将数据传输 20 ms 到集中接收器；在接下来的 980 毫秒内，信标处于睡眠模式。

在睡眠模式下，升压转换器的负载漏电流为 0.73 µA，而数据传输需要峰值为 3.182 mA 的无线电电流脉冲。升压转换器负载曲线如下图 3 所示。

图 3：信标电流曲线。

在一个典型的室内资产跟踪应用中，系统必须仅使用一节碱性电池就可以使用两年。典型的升压稳压器具有 0.2 µA 的漏电流、10 µA 的静态电流、85% 的峰值效率和 50% 的低电流效率。假设输入电压为 1.5V，输出电压为 3.3V，输出休眠电流为 0.73µA，我们可以按如下方式计算平均电流：

这个 168 µA 的平均电流将导致电池在两年内减少 61 天。

挑战

对于任何电压调节器来说，以小尺寸实现高效率都是一项挑战。增加电压调节器的工作频率会减小无源器件的尺寸，但会导致损耗增加，从而降低其效率。将稳压器的输入工作范围降至几分之一伏是至关重要的，因为电池电压在工作期间会不断下降。室内跟踪应用的激增产生了对多种定制版本的稳压器的需求，尤其是在输入/输出电压和电流规格方面。因此，信标制造商可能被迫维持大量且昂贵的不同调节器以及支持它们所需的无源器件的库存。

解决方案

理想的解决方案是解决这些缺点的负载感知稳压器，即持续监控系统电流消耗行为的稳压器。MAX17222nanoPower同步升压转换器就是这样一种器件。它提供高效率、400mV 至 5.5V 输入范围、0.5A 峰值电感电流限制以及可使用单个标准 1% 电阻器选择的输出电压。一种新颖的真正关断模式产生纳安范围内的泄漏电流，使其成为真正的纳功率器件。

图 4说明了 IC 与关断和静态电流有关的基本元件。

“真正关机”目前的优势

图 4：关断和静态电流。

真正的关断功能将输出与输入断开，没有正向或反向电流，从而产生非常低的泄漏电流。如果使用上拉电阻来启用/禁用操作，则还必须考虑真正关断模式下的上拉电流。如果相反，启用 (EN) 引脚由推挽式外部驱动器驱动，该驱动器由不同的电源供电，则没有上拉电流，关断电流仅为 0.5 nA，远低于 0.2 µA前面讨论的典型案例。

静态电流优势

参考图4，IC的输入静态电流（I QINT）为0.5 nA（启动后使能开路），输出静态电流（I QOUT）为300 nA。要计算总输入静态电流，必须将馈送输出电流 (I QOUT_IN ) 所需的额外输入电流添加到 I QINT。由于输出功率与输入功率的关系是效率（P OUT = P IN x η），因此可以得出：

I QOUT_IN = I QOUT x (V OUT /V IN )/η

如果 V IN = 1.5V，V OUT = 3.3 V，并且在低电流下效率 η = 57.5%，我们有：

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

将 1148 nA 加到 0.5 nA 的输入电流上，总输入静态电流为 1148.5 nA (I QINGT )。如前例所述，该静态电流比典型升压稳压器的 10 µA 低 9 倍。

效率优势

升压转换器 IC 采用低 R DSON、板载动力总成 MOSFET 晶体管，即使在足够高的频率下运行以保证较小的整体 PCB 尺寸（图 5），也能产生出色的效率。

图 5：高效率。

凭借升压转换器在峰值电流下的 92.5% 效率、1.15 µA 静态电流和 0.5 nA 关断电流，信标的使用寿命比典型稳压器长两个多月（见表 1）。

表 1. 两个稳压器之间的电池寿命比较

启用瞬态保护模式

该 IC 包括一个用于启用瞬态保护 (ETP) 模式的选项。当存在上拉电阻器时，由输出电容器供电的额外片上电路可确保 EN 在输入端的短暂瞬态干扰期间保持高电平。在这种情况下，上面计算的静态电流增加了几十纳安。

BOM 优势和智能 V OUT选择

MAX17222 将用于设置输出电压值的传统电阻分压器替换为单个输出选择电阻器 (R SEL )，如图4 所示。该芯片使用专有方案来读取仅在启动时消耗高达 200 µA的 R SEL值。一个标准的 1% 电阻器可设置 33 种不同的输出电压之一，在 1.8V 和 5V 之间以 100mV 的增量分隔。结果是材料清单 (BOM) 的小幅减少（少了一个电阻器），简化了库存（用于多种应用的单个稳压器）和较低的静态电流。

结论

由数字化和连接驱动的智能工厂概念正被全球越来越多的制造商所接受，以在当今充满活力的市场中保持竞争力。这些智能工厂的一个关键特性是定位和监控整个工厂车间的资产。收集到的数据可以立即分析并实时采取行动，而无需操作员的持续监督。

工厂室内定位和室内导航需要使用廉价一次性电池供电的体积小、成本效益高、使用寿命长的无线信标。在此设计解决方案中，我们回顾了为 BLE 信标供电的挑战，并介绍了一种升压转换器，该转换器具有高效率、低关断电流和低静态电流的三重特性，可在单个一次性 AA 上维持两年的运行电池。

审核编辑：汤梓红