眾所周知,設計電池供電系統的工程師經常面臨一個共同的挑戰:即需要在空載或輕負載(在毫安或微安級的低電流范圍內)條件下實現高效率。這需要電源具有持續并穩定的輸出,同時保持納安級的超低靜態電流。


因此,近日TI推出了一款新型雙向降壓/升壓轉換器——TPS61094,具有60nA的超低靜態電流(IQ),是同類競品升壓轉換器IQ的三分之一。
 


TPS61094 降壓/升壓轉換器內部集成了降壓型超級電容充電器和升壓型DC-DC轉換器,同時提供超低靜態電流,TPS61094搭配超級電容的方案與目前的混合層電容器 (HLC) 方案相比,該方案可幫助工程師將電池壽命延長多達20%。超級電容的強大的放電能力有助于支持比較大的峰值負載,這對于智能儀表、煙霧探測器和可視門鈴等電池供電類工業應用以及需要長待機的醫療應用非常重要。


以低功耗廣域網NB-IoT的場景為例,從電路的角度,我們將對基于 TPS61094 的解決方案與現有的 TI 參考設計進行比較。


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。在數據傳送模式下峰值為 310mA,持續 1.32s,負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 80s。當主電網突然斷電時,需要容量足夠的備用電源和無縫電源切換的負載持續時間。TPS61094 60nA 靜態電流 (IQ) 雙向降壓/升壓轉換器可實現可靠且簡單的備用電源設計,同時作為單芯片解決方案,無需額外電路即可實現超級電容器充電和放電功能。


 * 針對客戶和終端設備??赡苁菙捣昼娭翑堤?。
表 1:Saft Batteries 的 NB-IoT 負載曲線示例


使用一個超級電容器和 TPS61094 實現有效的備用電源電路,圖 1 顯示了我們如何配置 TPS61094 評估模塊 (EVM),為表 1 中的 NB-IoT 負載曲線提供足夠的備用電源支持。


 
圖 1:TPS61094 EVM 備用電源配置


系統電源接通時,TPS61094 進入 Buck_on 模式:打開旁路場效應晶體管 (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。當斷電導致 VSYS 下降時,TPS61094 會自動進入 Boost_on 模式:關閉旁路 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進行測量的結果。VIN 表示電網的系統電壓。VOUT 是 TPS61094 的輸出電壓,VSUP 是超級電容器電壓。IOUT 是負載消耗的電流。在我們的示例中,負載消耗 100mA,是負載曲線平均電流消耗的 3.33 倍。我們增加了負載,從而確定在更極端的負載條件下,TPS61094 在電網斷電時如何切換輸入電源。


當系統功率突然下降時,TPS61094 立即進入 Boost_on 模式,并利用超級電容器的功率調節 VOUT。降壓/升壓轉換器在 254.5s 內提供所需的輸出電流,可處理 11.5 次 NB-IoT 事務。TPS61094 對超級電容器放電,直到其電壓降至 0.7V;此時,該器件進入關斷模式,直到系統 VIN 恢復。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。


 
圖 2:TPS61094 下電上電測量結果


其他備用電源實現方案


您還可以使用其他解決方案,每個解決方案都有優缺點。一種是適用于電表的超級電容器備用電源參考設計,它使用分立式電路為超級電容器充電,并使用 TPS61022 升壓轉換器在電網斷電時將超級電容器電壓升至更高的系統電壓。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計,它使用 TPS63802 降壓/升壓轉換器作為超級電容器充電器和穩壓器,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置的需求。


表 2 列出了每種備用電源方法的重要特性。


* TPS61094 和 TPS61022 的 VIN 最小值為 0.7V。TPS63802 的 VIN 為 1.3V。
表 2:備用電源解決方案概述


寫在最后


除了NB-IoT以外,TPS61094還可用于LTE-M、Wi-SUN®、MIOTY、Bluetooth®和無線 M-Bus等場景中,切實提高工業物聯網應用中的電池壽命。