使用超級(jí)電容器作為后備電源的有效方法
1.前言
許多使用線路電源運(yùn)行的現(xiàn)代智能物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備需要備用電源來(lái)安全斷電或在意外斷電時(shí)執(zhí)行最后的通信。例如，電表可以通過(guò)射頻 (RF) 接口共享有關(guān)停電時(shí)間、位置和持續(xù)時(shí)間的詳細(xì)信息。最近，鑒于以下優(yōu)勢(shì)，窄帶物聯(lián)網(wǎng) (NB-IoT) 在此類操作中變得流行起來(lái)：
· 使用現(xiàn)有的 2G、3G 和 4G 頻段。
· 來(lái)自美洲和歐洲和亞洲國(guó)家的一個(gè)或多個(gè)運(yùn)營(yíng)商的支持。
· 與通用分組無(wú)線電服務(wù) (GPRS) 相比，功率和峰值電流顯著降低。
精心設(shè)計(jì)的備用電源方案有助于提供適量的備用電源，在正常和備用操作之間無(wú)縫切換，并且可以支持多次停電而無(wú)需維護(hù)。在本文中，我們將介紹一種使用 TI 的TPS61094降壓/升壓轉(zhuǎn)換器和單個(gè)超級(jí)電容器為 NB-IoT 和 RF 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施備用電源方案的簡(jiǎn)單方法。我們還將比較基于 TPS61094 的解決方案與現(xiàn)有的 TI 參考設(shè)計(jì)。
2.NB-IoT 備用電源
表 1 顯示了不同 NB-IoT 操作模式隨時(shí)間推移的電流消耗。在數(shù)據(jù)傳輸模式下峰值為 310 mA，持續(xù) 1.32 秒，負(fù)載隨著操作模式的變化而顯著變化。整個(gè)過(guò)程的平均電流消耗為 30 mA，持續(xù) 80 秒——當(dāng)主電網(wǎng)突然宕機(jī)時(shí)，需要足夠的備用電源和無(wú)縫電源切換的負(fù)載持續(xù)時(shí)間。TPS61094 60nA 靜態(tài)電流 ( IQ ) 雙向降壓/升壓轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)可靠且簡(jiǎn)單的備用電源設(shè)計(jì)，同時(shí)作為單芯片解決方案，無(wú)需額外電路即可實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器充電和放電。
|
模式 |
睡眠模式 |
傳輸方式 |
傳輸方式 |
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喚醒和掃描 |
數(shù)據(jù)發(fā)送 |
RRC活動(dòng) |
RRC 發(fā)布 |
PSM |
|||||
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電流 (mA) |
0.003 |
28 |
310 |
40 |
20 |
310 |
20 |
8 |
30 （平均數(shù)） |
|
時(shí)間（秒） |
* |
2 |
1.32 |
12.68 |
30 |
1.25 |
1 |
30 |
80 （總時(shí)間） |
* 特定于客戶和終端設(shè)備?？梢允菐追昼姷綆滋?。
表 1：來(lái)自 Saft Batteries 的 NB-IoT 負(fù)載曲線示例
為了使用單個(gè)超級(jí)電容器和 TPS61094 實(shí)現(xiàn)有效的備用電源電路，圖 1 顯示了我們?nèi)绾闻渲?span style="background-color:#FFFFFF;">TPS61094評(píng)估模塊 (EVM) 以支持表 1 中的 NB-IoT 負(fù)載配置文件的足夠備用電源。
圖 1：TPS61094 EVM 備用電源配置
當(dāng)系統(tǒng)電源打開(kāi)時(shí)，TPS61094 進(jìn)入 Buck_on 模式，這會(huì)打開(kāi)旁路場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET)，為超級(jí)電容器提供 500 mA 的恒定電流，并在超級(jí)電容器兩端的電壓為 2.5 V 時(shí)停止充電。 V SYS直接為 V OUT供電。當(dāng)停電導(dǎo)致 V SYS下降時(shí)，TPS61094 自動(dòng)進(jìn)入 Boost_on 模式，關(guān)閉旁路 FET 并從超級(jí)電容器中存儲(chǔ)的能量提供 V OUT。
圖 2 顯示了完整備用電源循環(huán)的示波器測(cè)量結(jié)果。V IN代表來(lái)自電網(wǎng)的系統(tǒng)電壓。V OUT是 TPS61094 的輸出電壓，V SUP是超級(jí)電容器電壓。I OUT顯示負(fù)載電流消耗。在我們的示例中，負(fù)載為 100 mA，是負(fù)載配置文件平均電流消耗的 3.33 倍。我們?cè)黾恿素?fù)載，以確定當(dāng)電網(wǎng)在更極端的負(fù)載條件下停機(jī)時(shí) TPS61094 如何切換輸入功率。
當(dāng)系統(tǒng)電源突然下降時(shí)，TPS61094 立即進(jìn)入 Boost_on 模式并使用來(lái)自超級(jí)電容器的電源調(diào)節(jié) V OUT。降壓/升壓轉(zhuǎn)換器提供 254.5 秒所需的輸出電流，相當(dāng)于 11.5 次 NB-IoT 事務(wù)。TPS61094 對(duì)超級(jí)電容器放電，直到其電壓降至 0.7 V；此時(shí)，器件進(jìn)入關(guān)斷模式，直到系統(tǒng) V IN恢復(fù)。在 Buck_on 模式下，TPS61094 以恒定電流為超級(jí)電容器無(wú)縫充電。正如我們在圖 2 中看到的，超級(jí)電容器放電和充電之間的切換非常平滑。
圖 2：TPS61094 電源循環(huán)測(cè)量
3.其他備用電源實(shí)施
我們還可以使用其他解決方案，每個(gè)解決方案都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。使用分立電路為超級(jí)電容器充電，并使用 TPS61022 升壓轉(zhuǎn)換器在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)將超級(jí)電容器電壓升壓至更高的系統(tǒng)電壓。TPS61022 輸出電流能力高于 TPS61094 解決方案，但需要更多外部組件。
另一種方法它使用 TPS63802 降壓-升壓轉(zhuǎn)換器作為超級(jí)電容器充電器和穩(wěn)壓器，并消除了額外的分立充電電路。然而，它仍然需要額外的外部組件來(lái)實(shí)現(xiàn)電源 ORing、充電電流限制和超級(jí)電容器端電壓設(shè)置。
表 2 列出了每種備用電源方法的最重要特征。
|
解決方案 |
TPS61094 |
1S升壓設(shè)計(jì) |
2S升降壓設(shè)計(jì) |
|
核心設(shè)備 |
TPS61094 |
TPS61022 |
TPS63802 |
|
設(shè)備 I Q (uA) |
0.06 |
27 |
11 |
|
正直 |
高的 |
低的 |
中等的 |
|
充電電路 |
融合的 |
離散的 |
部分集成 |
|
超級(jí)電容配置 |
1秒 |
1秒 |
2S |
|
3.3 V OUT 的平均最大輸出電流 (mA) * |
300 |
650 |
1,300 |
|
ORing電路 |
融合的 |
離散的 |
離散的 |
|
可編程超級(jí)電容器端電壓 |
融合的 |
離散的 |
離散的 |
|
可編程充電電流 |
融合的 |
離散的 |
離散的 |
|
可編程輸出電壓 |
融合的 |
融合的 |
融合的 |
|
V IN范圍 (V) |
0.7-5.5 |
10-12 |
3.3-5 |
|
V OUT范圍 (V) |
2.7-5.4 |
2.2-5.5 |
1.8 至 4.9 V |
|
備用電源的關(guān)鍵部件 |
TPS61094 |
分立充電器，TPS61022 |
TPS63802、LM6100、INA181A、運(yùn)算放大器 |
*對(duì)于 TPS61094 和 TPS61022，最小 V IN為 0.7 V。對(duì)于 TPS63802，V IN為 1.3 V。
表 2：備用電源解決方案概覽
4.結(jié)論
低功耗無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)正變得越來(lái)越流行。TPS61094 具有高集成度、簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)和最佳輕載效率，是具有 LTE-M、Lora、藍(lán)牙和其他新興無(wú)線接口的備用電源應(yīng)用的理想選擇。
如果我們需要更多輸出電流，電子表或電流限制參考設(shè)計(jì)是非常有效的解決方案。雖然它們需要更多的分立元件，但它們可以支持更高功率的 RF 傳輸，例如 GPRS。
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