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,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。
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(dòng) |
RRC 版本 |
PSM |
|||||
電流 (mA) |
0.003 |
28 |
310 |
40 |
20 |
310 |
20 |
8 |
30
(均值) |
時(shí)間 (s) |
* |
2 |
1.32 |
12.68 |
30 |
1.25 |
1 |
30 |
80
(總時(shí)間) |
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
對(duì)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(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(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。
表 2:備用電源解決方案概述
解決方案 | TPS61094 | 1S 升壓設(shè)計(jì) | 2S 降壓/升壓設(shè)計(jì) |
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(jí)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(jí)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月12日 |
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 |
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(jì)和卓越的輕負(fù)載效率,TPS61094適用于使用
LTE
-M、Lora、
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。
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