使用超級(jí)電容器實(shí)現(xiàn)備用電源的有效方法

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(shí)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(shí)間、地點(diǎn)和持續(xù)時(shí)間的詳細(xì)信息。由于具有以下優(yōu)勢(shì)，窄帶物聯(lián)網(wǎng) (NB-IoT) 最近在上述用途中很受歡迎：

• 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(gè)或多個(gè)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(jì)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(jiǎn)單方法，它使用 TI 的 TPS61094 降壓/升壓轉(zhuǎn)換器和一款超級(jí)電容器，滿足 NB-IoT 和射頻標(biāo)準(zhǔn)。我們還將對(duì)基于 TPS61094 的解決方案與現(xiàn)有的 TI 參考設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)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(shí)，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(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，無需額外電路即可實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器充電和放電功能。
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表 1：Saft Batteries 的 NB-IoT 負(fù)載曲線示例

使用一個(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?TPS61094 評(píng)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(shí)，TPS61094 進(jìn)入 Buck_on 模式：打開旁路場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET)，為超級(jí)電容器提供 500mA 的恒定電流，并在超級(jí)電容器兩端電壓為 2.5V 時(shí)停止充電。VSYS 直接為 VOUT 供電。當(dāng)斷電導(dǎo)致 VSYS 下降時(shí)，TPS61094 會(huì)自動(dòng)進(jìn)入 Boost_on 模式：關(guān)閉旁路 FET，并通過超級(jí)電容器中存儲(chǔ)的電荷為 VOUT 供電。

圖 2 顯示了使用示波器對(duì)備用電源完整循環(huán)進(jìn)行測(cè)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(jí)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?cè)黾恿素?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(shí)如何切換輸入電源。

當(dāng)系統(tǒng)功率突然下降時(shí)，TPS61094 立即進(jìn)入 Boost_on 模式，并利用超級(jí)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(duì)超級(jí)電容器放電，直到其電壓降至 0.7V；此時(shí)，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(jí)電容器無縫充電。如圖 2 所示，超級(jí)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(cè)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(gè)解決方案都有優(yōu)缺點(diǎn)。一種是適用于電表的超級(jí)電容器備用電源參考設(shè)計(jì)，它使用分立式電路為超級(jí)電容器充電，并使用 TPS61022 升壓轉(zhuǎn)換器在電網(wǎng)斷電時(shí)將超級(jí)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(dòng)電池均衡功能的超級(jí)電容器備用電源參考設(shè)計(jì)，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(jí)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。
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表 2：備用電源解決方案概述

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(jiǎn)單設(shè)計(jì)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(jì)是非常有效的解決方案。盡管該設(shè)計(jì)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。