三重冲孔延长智能工厂室内BLE信标的使用寿命

智能工厂的一个新兴元素是资产管理，即人与机器的跟踪。部署跟踪以实现两个目的 - 作为数字孪生仿真机制来评估工厂车间的低效率，以及作为预测性维护机制来确定即将发生的故障。在此设计解决方案中，我们回顾了使用一次性电池为BLE信标供电的挑战，并介绍了一种稳压器升压转换器，该转换器具有高效率、低关断电流和低静态电流的三重冲击，可在单个一次性AA电池上维持其运行两年。

介绍

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，以实现自适应制造 一端，另一端增加吞吐量。这不仅提高了生产力，而且还使生产力得以提高。 可以实时识别和修复工厂车间的任何故障，而无需太多人工干预。

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。跟 通信、大数据、人工智能 （AI） 和物联网 （IoT） 的进步，我们正在前进 越来越接近让工厂真正智能化。

根据报告1 由凯捷研究院和数字制造服务公司发布，Smart 数字化工厂在未来五年内可为全球经济增加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接性。连接的 工厂使用 IoT 框架连接整个工厂车间的设备、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。可以使用AI来分析从这些连接设备收集的数据来识别 趋势、模式以及对工厂车间日常运营和工作的关键见解，最终导致 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，使它们可以跟踪 使用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。这些信标需要小巧， 具有成本效益且持久， 同时由廉价的一次性电池供电.无线技术 这些应用中使用的应用可能包括 Wi-Fi、低功耗蓝牙 （BLE）、超宽带 （UWB） 和射频识别 （RFID），每种应用都具有不同程度的位置精度、范围和电池寿命。请注意，这些 标准有时由其 IEEE 编号引用，例如 802.11 和 802.15.x。信标的发射功率 （这也取决于需要传输数据的范围） 和传输频率 事件对电池寿命起着重要作用。最后， 信标的电子设备必须尽量减少其对功耗的影响.®

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， 同时仍然便宜且功耗低.

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.

典型信标系统

图 2 显示了典型的信标框图.单节碱性电池，充电功率高达2700mAh 通过 DC-DC 升压稳压器为板载控制器、传感器和无线电供电。这种情况并不少见 在某些系统中使用单个纽扣电池，尽管我们在此设计解决方案中使用了AA电池。

图2.典型的信标框图。

各种传感器收集数据，然后由无线电传输到集中式接收器20ms;为 接下来 980ms， 信标处于睡眠模式.

在休眠模式下，升压转换器负载0.73μA漏电流，而无线电电流脉冲 数据传输需要3.182mA峰值。升压转换器负载曲线如图3所示。

图3.信标电流配置文件。

在一个典型的室内资产跟踪应用中，系统必须仅使用单一碱性物质即可持续两年 电池。典型的升压稳压器具有 0.2μA 的漏电流、10μA 的静态电流、85% 峰值 效率低时效率达 50%。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168μA的平均电流将导致电池在两年内下降61天。

挑战

以小尺寸实现高效率对任何稳压器来说都是一个挑战。增加频率 稳压器的运行将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至关重要， 由于电池电压在运行过程中持续下降。室内跟踪应用的激增 需要多个定制版本的稳压器，特别是在输入/输出电压和电流规格方面。因此， 信标制造商可能被迫维护不同监管机构的大量且昂贵的库存以及支持它们所需的无源器件.

最先进的解决方案

理想的解决方案是负载感知型稳压器，以解决这些缺点，即连续 监控系统的电流消耗行为。MAX17222毫微功耗同步升压转换器就是这样一种 装置。它提供高效率、400mV 至 5.5V 输入范围、0.5A 峰值电感器电流限值和输出 可使用单个标准 1% 电阻器选择的电压。新颖的真关断™模式可产生漏电流 在纳安范围内，使其成为真正的毫微功耗器件。

图4显示了IC在关断和静态电流方面的基本要素。

图4.关断和静态电流。

真正的关断电流优势

真关断功能将输出与输入断开，无正向或反向电流，从而产生 极低的漏电流。如果使用上拉电阻使能/禁用操作，则上拉电流为 True 还必须考虑关断模式。相反，如果使能（EN）引脚由推挽式外部驱动器驱动， 由不同的电源供电，则没有上拉电流，关断电流仅为0.5nA，远低于前面讨论的典型情况的0.2μA。

静态电流优势

参考图4，输入静态电流（I秦） 为 0.5nA （启动后使能开路） 和 输出静态电流（I库特） 为 300nA。要计算总输入静态电流，附加 馈送输出电流所需的输入电流（IQOUT_IN） 必须添加到 I秦.由于输出功率为 与输入功率的关系与效率（P外= P在x ？），因此：

我QOUT_IN= I库特x （V外/V在)/η

如果 V在= 1.5V， V外= 3.3V，低电流时效率η = 57.5%，我们有：

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

将1148nA与0.5nA的输入电流相加，得到1148.5nA的总输入静态电流（I清特). 该静态电流比典型升压稳压器的10μA低9倍，如 以前的案例。

效率优势

升压转换器 IC 具有低 R德森、板载动力总成 MOSFET 晶体管，可产生出色的效率 即使在足够高的频率下工作，也能保证较小的整体 PCB 尺寸（图 5）。

图5.高效率。

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

表 1.两个稳压器的电池寿命比较

2700毫安时，V在= 1.5V， V外= 3.3V
	我OUT_TRANSMIT （毫安）	?峰 (%)	?低电流 (%)	我IN_AVERAGE （微安）	年	三角洲天数
MAX17222	3182	92.5	57.5	154	2.00	61
竞争者	3182	85	50	168	1.83	61

启用瞬态保护模式

该 IC 包括一个使能瞬态保护 （ETP） 模式选项。当存在上拉电阻时，由输出电容供电的额外片内电路可确保EN在输入端发生短暂瞬态干扰时保持高电平。在这种情况下，上面计算的静态电流增加了几十纳安。

物料清单优势和智能 V外选择

MAX17222采用传统的电阻分压器，用于设置输出电压值，采用单路输出选择电阻（RSEL），如图 4 所示。该芯片使用专有方案来读取 RSEL仅在启动时消耗高达 200μA 的值。单个标准 1% 电阻器设置 33 种不同输出之一 电压，以1.8V至5V之间的100mV增量隔开。结果是 BOM 略有减少（少一个电阻） 简化库存（单个稳压器适用于多种应用）和更低的静态电流。

结论

由数字化和互联互通驱动的智能工厂概念正被越来越多的人所接受 世界各地的制造商在当今瞬息万变的市场中保持竞争力。这些智能的关键特征 工厂正在定位和监控整个工厂车间的资产。收集的数据可以立即 实时分析和采取行动，无需操作员的持续监督。工厂室内 定位和室内导航需要小型、经济高效且持久的无线信标 同时由廉价的一次性电池供电。在此设计解决方案中，我们回顾了为 BLE信标并引入了升压转换器，由于效率高的三重冲击，低关断 电流和低静态电流可在单个一次性 AA 电池上维持其运行两年。

审核编辑：郭婷