工業 4.0 為我們提供了智能工廠，這些工廠高度數字化并連接起來，一方面用于自適應制造，另一方面提高了產量。這不僅提高了生產力，而且還可以在不需要太多人工干預的情況下實時識別和修復工廠車間的任何故障。

在過去的幾十年里，自動化一直是提高工廠效率的關鍵驅動力。隨著通信、大數據、人工智能 (AI) 和物聯網 (IoT) 的進步，我們離讓工廠真正智能化的目標越來越近。

根據凱捷研究院和數字制造服務公司發布的一份報告 [1] ，智能數字化工廠可能會在未來五年內為全球經濟增加 5000 億至 1.5 萬億美元。該報告還預測，未來幾年工廠的整體效率將以每年 7 倍的速度增長。

建立這些智能數字工廠的重要支柱之一是連通性。互聯工廠使用物聯網框架連接工廠車間的設備、資產和傳感器。這些傳感器和設備不僅從工具和機器中收集數據，還從材料、貨物、室內車輛甚至工廠車間的人員中收集數據。可以分析從這些連接設備收集的數據，使用 AI 來識別趨勢、模式和對工廠車間日常運營和運作的關鍵見解，最終減少機器停機時間并增加工廠的靈活性。

為了無縫實現這一點，無線信標連接到設備和材料上，使它們可以通過基于智能手機的簡單應用程序或更復雜的基于服務器的系統進行跟蹤。這些信標需要體積小、成本效益高且使用壽命長，同時由廉價的一次性電池供電。這些應用中使用的無線技術可能包括 Wi-Fi、低功耗藍牙 (BLE)、超寬帶 (UWB) 和射頻識別 (RFID)，每種技術都具有不同程度的定位精度、范圍和電池壽命。請注意，這些標準有時通過其 IEEE 編號來引用，例如 802.11 和 802.15.x。

信標的傳輸功率（也取決于需要傳輸數據的范圍）和傳輸事件的頻率對電池壽命起著重要作用。最后，信標的電子設備必須將其對功耗的影響降至最低。

BLE 信標通常在許多應用中受到青睞，因為它們提供高定位精度，同時價格低廉且功耗低。

在此設計解決方案中，我們回顧了為 BLE 信標供電的挑戰，并展示了高效的板載穩壓器如何延長其電池壽命。

圖 1：智能工廠中的藍牙信標。

典型的信標系統

圖 2顯示了一個典型的信標框圖。單節堿性電池可提供高達 2,700 mAh 的電量，通過 DC-DC 升壓穩壓器為車載控制器、傳感器和無線電供電。盡管我們在此設計解決方案中使用了 AA 電池，但在某些系統中看到單個紐扣電池并不少見。

圖 2：典型的信標框圖。

各種傳感器收集數據，然后通過無線電將數據傳輸 20 ms 到集中接收器；在接下來的 980 毫秒內，信標處于睡眠模式。

在睡眠模式下，升壓轉換器的負載漏電流為 0.73 μA，而數據傳輸需要峰值為 3.182 mA 的無線電電流脈沖。升壓轉換器負載曲線如下圖 3 所示。

圖 3：信標電流曲線。

在一個典型的室內資產跟蹤應用中，系統必須僅使用一節堿性電池就可以使用兩年。典型的升壓穩壓器具有 0.2 μA 的漏電流、10 μA 的靜態電流、85% 的峰值效率和 50% 的低電流效率。假設輸入電壓為 1.5V，輸出電壓為 3.3V，輸出休眠電流為 0.73μA，我們可以按如下方式計算平均電流：

這個 168 μA 的平均電流將導致電池在兩年內減少 61 天。

挑戰

對于任何電壓調節器來說，以小尺寸實現高效率都是一項挑戰。增加電壓調節器的工作頻率會減小無源器件的尺寸，但會導致損耗增加，從而降低其效率。將穩壓器的輸入工作范圍降至幾分之一伏是至關重要的，因為電池電壓在工作期間會不斷下降。室內跟蹤應用的激增產生了對多種定制版本的穩壓器的需求，尤其是在輸入/輸出電壓和電流規格方面。因此，信標制造商可能被迫維持大量且昂貴的不同調節器以及支持它們所需的無源器件的庫存。

解決方案

理想的解決方案是解決這些缺點的負載感知穩壓器，即持續監控系統電流消耗行為的穩壓器。MAX17222nanoPower同步升壓轉換器就是這樣一種器件。它提供高效率、400mV 至 5.5V 輸入范圍、0.5A 峰值電感電流限制以及可使用單個標準 1% 電阻器選擇的輸出電壓。一種新穎的真正關斷模式產生納安范圍內的泄漏電流，使其成為真正的納功率器件。

圖 4說明了 IC 與關斷和靜態電流有關的基本元件。

“真正關機”目前的優勢

圖 4：關斷和靜態電流。

真正的關斷功能將輸出與輸入斷開，沒有正向或反向電流，從而產生非常低的泄漏電流。如果使用上拉電阻來啟用/禁用操作，則還必須考慮真正關斷模式下的上拉電流。如果相反，啟用 (EN) 引腳由推挽式外部驅動器驅動，該驅動器由不同的電源供電，則沒有上拉電流，關斷電流僅為 0.5 nA，遠低于 0.2 μA前面討論的典型案例。

靜態電流優勢

參考圖4，IC的輸入靜態電流（I QINT）為0.5 nA（啟動后使能開路），輸出靜態電流（I QOUT）為300 nA。要計算總輸入靜態電流，必須將饋送輸出電流 (I QOUT_IN ) 所需的額外輸入電流添加到 I QINT。由于輸出功率與輸入功率的關系是效率（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，并且在低電流下效率 η = 57.5%，我們有：

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

將 1148 nA 加到 0.5 nA 的輸入電流上，總輸入靜態電流為 1148.5 nA (I QINGT )。如前例所述，該靜態電流比典型升壓穩壓器的 10 μA 低 9 倍。

效率優勢

升壓轉換器 IC 采用低 R DSON、板載動力總成 MOSFET 晶體管，即使在足夠高的頻率下運行以保證較小的整體 PCB 尺寸（圖 5），也能產生出色的效率。

圖 5：高效率。

憑借升壓轉換器在峰值電流下的 92.5% 效率、1.15 μA 靜態電流和 0.5 nA 關斷電流，信標的使用壽命比典型穩壓器長兩個多月（見表 1）。

表 1. 兩個穩壓器之間的電池壽命比較

啟用瞬態保護模式

該 IC 包括一個用于啟用瞬態保護 (ETP) 模式的選項。當存在上拉電阻器時，由輸出電容器供電的額外片上電路可確保 EN 在輸入端的短暫瞬態干擾期間保持高電平。在這種情況下，上面計算的靜態電流增加了幾十納安。

BOM 優勢和智能 V OUT選擇

MAX17222 將用于設置輸出電壓值的傳統電阻分壓器替換為單個輸出選擇電阻器 (R SEL )，如圖4 所示。該芯片使用專有方案來讀取僅在啟動時消耗高達 200 μA的 R SEL值。一個標準的 1% 電阻器可設置 33 種不同的輸出電壓之一，在 1.8V 和 5V 之間以 100mV 的增量分隔。結果是材料清單 (BOM) 的小幅減少（少了一個電阻器），簡化了庫存（用于多種應用的單個穩壓器）和較低的靜態電流。

結論

由數字化和連接驅動的智能工廠概念正被全球越來越多的制造商所接受，以在當今充滿活力的市場中保持競爭力。這些智能工廠的一個關鍵特性是定位和監控整個工廠車間的資產。收集到的數據可以立即分析并實時采取行動，而無需操作員的持續監督。

工廠室內定位和室內導航需要使用廉價一次性電池供電的體積小、成本效益高、使用壽命長的無線信標。在此設計解決方案中，我們回顧了為 BLE 信標供電的挑戰，并介紹了一種升壓轉換器，該轉換器具有高效率、低關斷電流和低靜態電流的三重特性，可在單個一次性 AA 上維持兩年的運行電池。

審核編輯：湯梓紅