如何全方位降低资产跟踪器的功耗水平？

本文编译自安富利

随着工业物联网 (IIoT) 的出现以及供应链不断缩短，跟踪交付和寄售变得越来越必要。紧凑、坚固、电池供电的无线资产跟踪器定期安装在集装箱和托盘上，以使客户和供应商随时了解交付进度以及货物在运输过程中的处理情况。

本文将调查工程师在设计无线资产跟踪器时面临的技术挑战。重点放在模拟元件的选择和电池所施加的限制上。 

为什么资产跟踪对供应链至关重要？

无论是零售还是制造业，许多企业都在不断努力减少他们的库存。持有库存给已经在微薄利润下运营的业务增加了相当大的成本。仓库和人员配备是一项昂贵的业务，这就是为什么准时制理念在供应链和物流运营中如此流行的原因。然而，这需要源源不断的入境货物来完成客户订单，并且了解他们的位置变得至关重要。

物联网已经改变了许多业务运营和消费者服务，电池供电的无线连接资产跟踪技术的发展壮大了物联网技术。

资产跟踪器架构

本质上，资产跟踪器包含确定其位置并将具有唯一标识符的位置数据传送到中央跟踪控制系统的电路功能。根据他们跟踪的货物类型，可以将跟踪器放置在运输集装箱外部，托盘上或运输车辆上。资产跟踪器通常是完全独立的，由电池供电，以提供最大的灵活性。因此，了解资产跟踪器的功耗曲线非常重要。

另外，由于它可以发送位置数据，通常是通过蜂窝无线链路，它还可以发送少量可能有用的附加信息。一些货物，例如紧急药品交付，可能会规定严格的温度控制条件，因此发送温度数据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加速度和冲击监测。不同的模拟和数字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。使用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，这是最小化功耗和更高功率需求之间的微妙平衡。三个设计考虑因素需要深入审查。

高效的 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 DC-DC 转换来升压或降压供电轨。此外，随着电量的减少，电池电压通常会略微降低，因此应采用严格的电压调节来防止跟踪器的不稳定行为。

电流和电压监测

电池的放电状态是跟踪器运行状态的重要指标。监控终端电压和负载电流使其可以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 也应具有低功耗特性。运算放大器 (op-amps) 是构建低功耗传感器元件和信号调理电路的常用方法。除了温度、湿度、压力和应变参数之外，还包括电池电流和电压测量功能。这些电路中使用的运算放大器还应提供快速且准确的测量能力。在主动操作期间，功耗会增加，传感器记录精确值的持续时间是关键。

选择模拟和用于低功耗无线跟踪器的电源管理组件

让我们从电源转换和调节开始研究一些适用于低功耗资产跟踪器的模拟和电源管理组件。

ST1PS02 系列是 STMicroelectronics 的纳安级Iq的降压 DC-DC 转换器。该转换器的空载电流消耗仅为 500 nA，在10 mA负载时效率为 92%，并且在满负载时可提供高达 400 mA 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而设计，采用微型 TQFN12封装，尺寸为 2 mm x 1.7 mm x 0.55 mm。如图 2 展示的用例。只需一个电感器、一些小型去耦电容器和两个电阻器即可启用 DC-DC 转换器电路的所有功能。

图 2 - 使用具有数字可选输出电压的高效率 ST1PS02 低Iq同步降压 DC-DC 转换器的示例（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 确定精确的输出电压设置，可以硬连线在PCB上。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，欠压锁定功能会禁止输出。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。这款 200 mA 低压差稳压器可适应 2 V 至 5.5 V 之间的输入电压，空载功耗为 300 nA。该系列可提供 0.8 V 至 4.5 V 范围内的固定输出电压或可调输出电压。图 3 显示了 STLQ020 系列固定输出电压的内部架构。

图 3 - 低功耗 200 mA 超低静态电流 LDO 的内部架构（ST）

STLQ020 提供三种封装格式可供选择，其中最小的尺寸为 0.773 mm x 0.773 mm x 0.36 mm。

如前所述，测量电池电压和负载电流可以可靠地指示资产跟踪器的健康状态。超低功耗运算放大器提供了一种测量低电流的可行方法。合适的器件包括 ST 的 TSU101 和 TSU111。例如，TSU101 是一款每通道 580 nA 功耗的运算放大器，能够在 1.5 V 至 5.5 V 的低电源电压范围内进行轨到轨操作。8 kHz 的增益带宽积使其适用于电池供电的便携式传感器和信号调理应用。

图 4 显示了使用分流电阻器测量电流的示例电流检测应用。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 运算放大器提供高精度（通常为 150 mV、11.5 kHz 增益带宽和 10 pA 输入偏置电流）以及提供温度稳定性和高精度的零漂移技术。

图 4 - 使用 TSU111 纳米功率高精度运算放大器的电流测量参考电路（ST）

我们可以通过调整电阻 (Rsense = 100 mOhm) 和 Vref 来测量不同的输入电流范围。关键因素是能够测量的绝对最小电流。在电路中，从 Rsense 到运算放大器的阻抗很高，因此汲取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。如图 4 所示，即使超过检测电阻 1 mV，也会产生比所选运算放大器的 150 mV 失调电压高出一个数量级的误差。

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 轨到轨双比较器的简单传感器示例。

图 5 - 包含 ST TS883 毫微功率比较器的模拟温度传感器电路示例（ST）

TS883 的两个比较器配置为在 +25°C 中心温度的±10 °C 范围内监控环境温度。电阻器 R1、R2、R3 创建一个分压器来设置两个比较器参考电压。在 25 °C 时，输出电压为 1.574 V，最高温度限制为35 °C，输出为 1.457 V，在下阈值 15 °C 时，输出为 1.691 V。有关如何创建类似的设计以及如何计算电阻值可以在 ST的AN4071参考设计中找到。

TS883 是一款轨到轨 0.9 V 开漏双路比较器。 每个比较器的电流消耗通常为 250 nA。

模拟设计：低功耗资产跟踪器的重要组成部分

通过在资产跟踪器中集成低功耗模拟传感和电源管理组件，电池寿命得以延长，帮助物流和供应链专业人员随时了解货物的位置。