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使用超级电容器实现备用电源的有效方法

    作者:J9九游会AG新软件
    发(fa)布日期:2022-11-22         
阅读:15     
 
 

许多通过线路供电的现代智能物联网 (IoT) 器件都需要备用电源,以便在意外断电时安全断电或保持通信不断。例如,电表可通过射频接口提供关于断电的时间、地点和持续时间的详细信息。由于具有以下优势,窄带物联网 (NB-IoT) 最近在上述用途中很受欢迎:

•使用(yong)现(xian)有的 2G、3G 和 4G 频段。

• 由(you)美洲、欧洲和亚洲国家的一个(ge)或多(duo)个(ge)运营商提供支持(chi)。

• 与通用分组无线业务 (GPRS) 相(xiang)比(bi),功(gong)率和(he)峰值(zhi)电(dian)流显(xian)著降低。

精心设(she)计(ji)的(de)备用(yong)(yong)(yong)电(dian)源(yuan)方(fang)案有助于提供合(he)适(shi)容量的(de)备用(yong)(yong)(yong)电(dian)源(yuan),在正常和(he)备用(yong)(yong)(yong)供电(dian)之间(jian)进(jin)行(xing)无缝切(qie)换,并支持多次断电(dian)而无需维(wei)护。在本文(wen)中,J9九游会AG 将介绍(shao)一种实施(shi)备用(yong)(yong)(yong)电(dian)源(yuan)方(fang)案的(de)简单方(fang)法,它使用(yong)(yong)(yong) TI 的(de) TPS61094 降压/升(sheng)压转换器(qi)和(he)一款(kuan)超级电(dian)容器(qi),满足 NB-IoT 和(he)射频标准(zhun)。J9九游会AG 还将对基(ji)于 TPS61094 的(de)解决方(fang)案与现(xian)有的(de) TI 参考设(she)计(ji)进(jin)行(xing)比较。

NB-IoT 备用电源(yuan)

表 1 显(xian)示(shi)了不(bu)同 NB-IoT 操(cao)作(zuo)模式(shi)下(xia)(xia)随时(shi)间(jian)推移的电(dian)(dian)(dian)流(liu)消(xiao)耗。在数据(ju)传送(song)模式(shi)下(xia)(xia)峰值为(wei)(wei) 310mA,持续 1.32s,负(fu)载(zai)在不(bu)同的操(cao)作(zuo)模式(shi)下(xia)(xia)也显(xian)著变化(hua)。整个(ge)过程的平(ping)均电(dian)(dian)(dian)流(liu)消(xiao)耗为(wei)(wei) 30mA,持续 80s。当(dang)主电(dian)(dian)(dian)网(wang)突然断电(dian)(dian)(dian)时(shi),需要容量(liang)足够的备用电(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)和无(wu)缝电(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)切换的负(fu)载(zai)持续时(shi)间(jian)。TPS61094 60nA 静(jing)态电(dian)(dian)(dian)流(liu) (IQ) 双向降(jiang)压(ya)/升压(ya)转(zhuan)换器可(ke)实现可(ke)靠(kao)且简单的备用电(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)设计(ji),同时(shi)作(zuo)为(wei)(wei)单芯片解决方(fang)案,无(wu)需额外电(dian)(dian)(dian)路(lu)即可(ke)实现超级电(dian)(dian)(dian)容器充(chong)电(dian)(dian)(dian)和放电(dian)(dian)(dian)功能。

使用超级电容器实现备用电源的有效方法

* 针(zhen)对客(ke)户和(he)终(zhong)端设(she)备。可(ke)能是数(shu)分钟至数(shu)天(tian)。

表 1:Saft Batteries 的 NB-IoT 负载曲线示例

使用一个超级电(dian)(dian)容器和 TPS61094 实现有效的备用电(dian)(dian)源(yuan)电(dian)(dian)路(lu),图 1 显示了J9九游会AG 如何配置 TPS61094 评(ping)估(gu)模块 (EVM),为表 1 中的 NB-IoT 负(fu)载曲线提供足(zu)够的备用电(dian)(dian)源(yuan)支持。

使用超级电容器实现备用电源的有效方法

图 1:TPS61094 EVM 备用电源(yuan)配置(zhi)

当(dang)系统电(dian)(dian)(dian)(dian)源接通时,TPS61094 进入 Buck_on 模式:打开旁路场效应晶体管(guan) (FET),为超级电(dian)(dian)(dian)(dian)容器提供(gong)(gong) 500mA 的(de)恒定电(dian)(dian)(dian)(dian)流,并在超级电(dian)(dian)(dian)(dian)容器两端(duan)电(dian)(dian)(dian)(dian)压为 2.5V 时停止(zhi)充电(dian)(dian)(dian)(dian)。VSYS 直接为 VOUT 供(gong)(gong)电(dian)(dian)(dian)(dian)。当(dang)断电(dian)(dian)(dian)(dian)导致 VSYS 下降(jiang)时,TPS61094 会自动进入 Boost_on 模式:关闭旁路 FET,并通过超级电(dian)(dian)(dian)(dian)容器中存储的(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)荷为 VOUT 供(gong)(gong)电(dian)(dian)(dian)(dian)。

图 2 显示(shi)了(le)使用示(shi)波器(qi)对备(bei)用电(dian)(dian)源(yuan)完(wan)整循环进行(xing)测量的(de)(de)结果。VIN 表示(shi)电(dian)(dian)网的(de)(de)系统电(dian)(dian)压。VOUT 是 TPS61094 的(de)(de)输(shu)出(chu)电(dian)(dian)压,VSUP 是超级(ji)电(dian)(dian)容器(qi)电(dian)(dian)压。IOUT 是负(fu)(fu)载(zai)消耗(hao)的(de)(de)电(dian)(dian)流(liu)。在(zai)(zai)J9九游会AG 的(de)(de)示(shi)例中,负(fu)(fu)载(zai)消耗(hao) 100mA,是负(fu)(fu)载(zai)曲(qu)线平均(jun)电(dian)(dian)流(liu)消耗(hao)的(de)(de) 3.33 倍(bei)。J9九游会AG 增(zeng)加了(le)负(fu)(fu)载(zai),从而确定在(zai)(zai)更极(ji)端的(de)(de)负(fu)(fu)载(zai)条件下(xia),TPS61094 在(zai)(zai)电(dian)(dian)网断电(dian)(dian)时如(ru)何(he)切(qie)换输(shu)入电(dian)(dian)源(yuan)。

当系(xi)统功率(lv)突然(ran)下(xia)降时(shi),TPS61094 立(li)即进(jin)入(ru) Boost_on 模(mo)式(shi),并利(li)用超(chao)级电(dian)(dian)容器(qi)的功率(lv)调节 VOUT。降压(ya)/升压(ya)转换(huan)器(qi)在 254.5s 内提供所(suo)需(xu)的输出电(dian)(dian)流(liu),可处理 11.5 次 NB-IoT 事务。TPS61094 对超(chao)级电(dian)(dian)容器(qi)放(fang)电(dian)(dian),直(zhi)到其电(dian)(dian)压(ya)降至 0.7V;此时(shi),该器(qi)件进(jin)入(ru)关断模(mo)式(shi),直(zhi)到系(xi)统 VIN 恢(hui)复。在 Buck_on 模(mo)式(shi)下(xia),TPS61094 以恒定电(dian)(dian)流(liu)为超(chao)级电(dian)(dian)容器(qi)无(wu)缝充(chong)电(dian)(dian)。如图(tu) 2 所(suo)示,超(chao)级电(dian)(dian)容器(qi)放(fang)电(dian)(dian)和(he)充(chong)电(dian)(dian)之(zhi)间的切换(huan)非常平稳。

使用超级电容器实现备用电源的有效方法

图 2:TPS61094 下(xia)电上电测量结(jie)果

其他备用电源实现方案

您还可(ke)以使(shi)用(yong)其他解(jie)(jie)决方案,每个解(jie)(jie)决方案都有优(you)缺(que)点。一(yi)种是适用(yong)于电(dian)表的超级电(dian)容(rong)器(qi)(qi)备用(yong)电(dian)源参考设计(ji),它使(shi)用(yong)分立式电(dian)路(lu)为超级电(dian)容(rong)器(qi)(qi)充电(dian),并使(shi)用(yong) TPS61022 升压(ya)(ya)转换器(qi)(qi)在电(dian)网(wang)断(duan)电(dian)时将超级电(dian)容(rong)器(qi)(qi)电(dian)压(ya)(ya)升至更(geng)高(gao)的系统(tong)电(dian)压(ya)(ya)。TPS61022 输(shu)出电(dian)流能(neng)力高(gao)于 TPS61094 解(jie)(jie)决方案,但需要更(geng)多外部元件。

另一种(zhong)是具有电(dian)(dian)流限制和(he)主动电(dian)(dian)池均衡功能的超(chao)(chao)级(ji)(ji)电(dian)(dian)容(rong)器(qi)(qi)备用电(dian)(dian)源(yuan)参考(kao)设(she)计(ji),它(ta)使用 TPS63802 降压(ya)/升压(ya)转换器(qi)(qi)作为(wei)超(chao)(chao)级(ji)(ji)电(dian)(dian)容(rong)器(qi)(qi)充(chong)(chong)电(dian)(dian)器(qi)(qi)和(he)稳压(ya)器(qi)(qi),并(bing)省去了(le)额(e)外的分立式充(chong)(chong)电(dian)(dian)电(dian)(dian)路,但(dan)仍(reng)需要额(e)外的外部(bu)元件(jian)来满足ORing 电(dian)(dian)源(yuan)控制器(qi)(qi)、充(chong)(chong)电(dian)(dian)电(dian)(dian)流限制和(he)超(chao)(chao)级(ji)(ji)电(dian)(dian)容(rong)器(qi)(qi)终(zhong)端电(dian)(dian)压(ya)设(she)置的需求。

表 2 列出了每(mei)种备用电源方法的重(zhong)要特(te)性。

使用超级电容器实现备用电源的有效方法

* TPS61094 和 TPS61022 的 VIN 最(zui)小值为 0.7V。TPS63802 的 VIN 为 1.8V。

表 2:备用电源解决方案概述

结语

低功耗无(wu)线(xian)标准(zhun)的(de)(de)应(ying)用(yong)(yong)越(yue)(yue)来越(yue)(yue)广泛。凭(ping)借高集成度、简单设计和卓越(yue)(yue)的(de)(de)轻负载效率,TPS61094适用(yong)(yong)于使用(yong)(yong) LTE-M、Lora、蓝牙和其他新兴无(wu)线(xian)接(jie)口的(de)(de)备用(yong)(yong)电源(yuan)应(ying)用(yong)(yong)。

如需更高的(de)输出电(dian)流,电(dian)表或电(dian)流限制参考设(she)(she)计(ji)是非常有(you)效的(de)解决方案(an)。尽(jin)管该(gai)设(she)(she)计(ji)需要(yao)更多的(de)分(fen)立式元件,但可以(yi)支(zhi)持例如GPRS等(deng)更高功率的(de)射频(pin)传输。

 

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