使用超級電容器實(shí)現(xiàn)備用電源的有效方法
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許多通過線路供電的現(xiàn)代智能物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 器件都需要備用電源，以便在意外斷電時安全斷電或保持通信不斷。例如，電表可通過射頻接口提供關(guān)于斷電的時間、地點(diǎn)和持續(xù)時間的詳細(xì)信息。由于具有以下優(yōu)勢，窄帶物聯(lián)網(wǎng) (NB-IoT) 最近在上述用途中很受歡迎：
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202111/429665.htm● 使用現(xiàn)有的 2G、3G 和 4G 頻段。
● 由美洲、歐洲和亞洲國家的一個或多個運(yùn)營商提供支持。
● 與通用分組無線業(yè)務(wù) (GPRS) 相比，功率和峰值電流顯著降低。
精心設(shè)計的備用電源方案有助于提供合適容量的備用電源，在正常和備用供電之間進(jìn)行無縫切換，并支持多次斷電而無需維護(hù)。在本文中，我們將介紹一種實(shí)施備用電源方案的簡單方法，它使用 TI 的 TPS61094 降壓/升壓轉(zhuǎn)換器和一款超級電容器，滿足 NB-IoT 和射頻標(biāo)準(zhǔn)。我們還將對基于 TPS61094 的解決方案與現(xiàn)有的 TI 參考設(shè)計進(jìn)行比較。
NB-IoT 備用電源
表 1 顯示了不同 NB-IoT 操作模式下隨時間推移的電流消耗。在數(shù)據(jù)傳送模式下峰值為 310mA，持續(xù) 1.32s，負(fù)載在不同的操作模式下也顯著變化。整個過程的平均電流消耗為 30mA，持續(xù) 80s。當(dāng)主電網(wǎng)突然斷電時，需要容量足夠的備用電源和無縫電源切換的負(fù)載持續(xù)時間。TPS61094 60nA 靜態(tài)電流 (IQ) 雙向降壓/升壓轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)可靠且簡單的備用電源設(shè)計，同時作為單芯片解決方案，無需額外電路即可實(shí)現(xiàn)超級電容器充電和放電功能。
表 1 Saft Batteries 的 NB-IoT 負(fù)載曲線示例
模式 | 睡眠模式 | 傳送模式 | 傳送模式 | ||||||
喚醒和掃描 | 數(shù)據(jù)傳送 | RRC 活動 | RRC 版本 | PSM | |||||
電流 (mA) | 0.003 | 28 | 310 | 40 | 20 | 310 | 20 | 8 | 30（均值） |
時間 (s) | * | 2 | 1.32 | 12.68 | 30 | 1.25 | 1 | 30 | 80（總時間） |
* 針對客戶和終端設(shè)備?？赡苁菙?shù)分鐘至數(shù)天。
使用一個超級電容器和 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?TPS61094 評估模塊 (EVM)，為表 1 中的 NB-IoT 負(fù)載曲線提供足夠的備用電源支持。
圖1 TPS61094 EVM 備用電源配置
當(dāng)系統(tǒng)電源接通時，TPS61094 進(jìn)入 Buck_on 模式：打開旁路場效應(yīng)晶體管 (FET)，為超級電容器提供 500mA 的恒定電流，并在超級電容器兩端電壓為 2.5V 時停止充電。VSYS 直接為 VOUT 供電。當(dāng)斷電導(dǎo)致 VSYS 下降時，TPS61094 會自動進(jìn)入 Boost_on 模式：關(guān)閉旁路 FET，并通過超級電容器中存儲的電荷為 VOUT 供電。
圖 2 顯示了使用示波器對備用電源完整循環(huán)進(jìn)行測量的結(jié)果。VIN 表示電網(wǎng)的系統(tǒng)電壓。VOUT 是 TPS61094 的輸出電壓，VSUP 是超級電容器電壓。IOUT 是負(fù)載消耗的電流。在我們的示例中，負(fù)載消耗 100mA，是負(fù)載曲線平均電流消耗的 3.33 倍。我們增加了負(fù)載，從而確定在更極端的負(fù)載條件下，TPS61094 在電網(wǎng)斷電時如何切換輸入電源。
當(dāng)系統(tǒng)功率突然下降時，TPS61094 立即進(jìn)入 Boost_on 模式，并利用超級電容器的功率調(diào)節(jié) VOUT。降壓/升壓轉(zhuǎn)換器在 254.5s 內(nèi)提供所需的輸出電流，可處理 11.5 次 NB-IoT 事務(wù)。TPS61094 對超級電容器放電，直到其電壓降至 0.7V；此時，該器件進(jìn)入關(guān)斷模式，直到系統(tǒng) VIN 恢復(fù)。在 Buck_on 模式下，TPS61094 以恒定電流為超級電容器無縫充電。如圖 2 所示，超級電容器放電和充電之間的切換非常平穩(wěn)。
圖2 TPS61094 下電上電測量結(jié)果
其他備用電源實(shí)現(xiàn)方案
您還可以使用其他解決方案，每個解決方案都有優(yōu)缺點(diǎn)。一種是適用于電表的超級電容器備用電源參考設(shè)計，它使用分立式電路為超級電容器充電，并使用 TPS61022 升壓轉(zhuǎn)換器在電網(wǎng)斷電時將超級電容器電壓升至更高的系統(tǒng)電壓。TPS61022 輸出電流能力高于 TPS61094 解決方案，但需要更多外部元件。
另一種是具有電流限制和主動電池均衡功能的超級電容器備用電源參考設(shè)計，它使用 TPS63802 降壓/升壓轉(zhuǎn)換器作為超級電容器充電器和穩(wěn)壓器，并省去了額外的分立式充電電路，但仍需要額外的外部元件來滿足ORing 電源控制器、充電電流限制和超級電容器終端電壓設(shè)置的需求。
表2列出了每種備用電源方法的重要特性。
表2 備用電源解決方案概述
解決方案 | TPS61094 | 1S 升壓設(shè)計 | 2S 降壓/升壓設(shè)計 |
核心器件 | TPS61094 | TPS61022 | TPS63802 |
器件 IQ (uA) | 0.06 | 27 | 11 |
完整性 | 高 | 低 | 中 |
充電電路 | 集成 | 分立式 | 部分集成式 |
超級電容器配置 | 1S | 1S | 2S |
3.3V VOUT 的平均最大輸出電流 (mA)* | 300 | 650 | 1,000 |
ORing 電路 | 集成 | 分立式 | 分立式 |
可編程的超級電容器終端電壓 | 集成 | 分立式 | 分立式 |
可編程充電電流 | 集成 | 分立式 | 分立式 |
可編程的輸出電壓 | 集成 | 集成 | 集成 |
VIN范圍 (V) | 0.7-5.5 | 10-12 | 2.5-5 |
VOUT范圍 (V) | 2.7-5.4 | 2.2-5.5 | 1.8 至 5.2 V |
備用電源的關(guān)鍵元件 | TPS61094 | 分立式充電器、TPS61022 | TPS63802、LM6100、INA181A、運(yùn)算放大器 |
* TPS61094 和 TPS61022 的 VIN 最小值為 0.7V。TPS63802 的 VIN 為 1.8V。
結(jié)語
低功耗無線標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用越來越廣泛。憑借高集成度、簡單設(shè)計和卓越的輕負(fù)載效率，TPS61094適用于使用 LTE-M、Lora、藍(lán)牙和其他新興無線接口的備用電源應(yīng)用。
如需更高的輸出電流，電表或電流限制參考設(shè)計是非常有效的解決方案。盡管該設(shè)計需要更多的分立式元件，但可以支持例如GPRS等更高功率的射頻傳輸。
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