使用低IQ降壓/升壓轉(zhuǎn)換器延長流量計電池壽命的三個好處

與鋰二氧化錳 (LiMnO₂) 等電池化學(xué)物質(zhì)相比，鋰亞硫酰氯 (LiSOCI₂) 電池可實現(xiàn)更高的能量密度和更出色的每瓦成本比，因此普遍用于智能流量計。但 LiSOCl₂電池有一個缺點，即對峰值負(fù)載的響應(yīng)性較差，這可能導(dǎo)致電池可用容量降低。因此在本文中，我們將探討一種降低電池峰值負(fù)載（數(shù)百毫安級）的有效方法，從而幫助延長電池壽命。

更大程度提高電池可用容量是十分重要的，因為這可以使系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)：

• 在使用相同電池的條件下增加儀表讀數(shù)次數(shù)和數(shù)據(jù)傳輸量。
• 在使用相同電池的條件下實現(xiàn)更長的壽命。
• 在工作壽命不變的情況下減小電池尺寸。

通過對更多類型的流量計應(yīng)用相同的設(shè)計，以上優(yōu)勢可更大程度地降低電池成本、維護(hù)成本和開發(fā)成本。

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設(shè)計難題：延長電池壽命

成功的儀表設(shè)計需要實現(xiàn)長久的運行時間（大于 15 年）以及閥控制、數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。延長電池壽命是一種延長儀表運行時間的有效方式。但是，如果不使用任何電源緩沖器，直接將電池與負(fù)載進(jìn)行連接，那么儀表復(fù)雜的負(fù)載曲線可能會縮短電池壽命。

根據(jù)電流電平不同，可以將標(biāo)準(zhǔn)儀表的負(fù)載消耗曲線分為待機(jī)模式、中間模式和工作模式。每種模式對電池壽命的影響不同：

• 待機(jī)模式的電流消耗為 5μA 至 100μA。主要耗電項為計量、微控制器和保護(hù)電路的靜態(tài)電流 (I_Q)。雖然其絕對值非常小，但通常是影響儀表壽命的主要因素。處于待機(jī)模式時，連接的任一直流/直流轉(zhuǎn)換器的 I_Q均應(yīng)處于納安級，電源緩沖器的泄漏值應(yīng)處于低水平，從而提高效率。
• 中間模式的電流消耗為 2mA 至 10mA。通常情況下，這類負(fù)載來自于 RX 階段的模擬前端。在此模式下，電源緩沖器的效率對于更大程度地減小能量損耗十分重要。
• 工作模式下的電流消耗最高。在工作模式下，負(fù)載通常來自于 TX 階段的驅(qū)動閥和模擬前端，需要 20mA 至幾百毫安的電流。直接從 LiSOCl₂電池中獲取電流會使電池容量嚴(yán)重降額。

表 1 顯示了在不同的負(fù)載和溫度條件下，Saft LS33600 電池在 17Ah 額定容量基礎(chǔ)上的容量降額情況。在工作溫度為 +20°C 時，200mA 負(fù)載電流會導(dǎo)致容量降額 42%。因此，絕不可直接使用電池對負(fù)載供電。只有使用低泄漏的電源緩沖器，才可以將峰值電流限制在 10mA 以下。

表 1：Saft Batteries LS33600 電池的容量和電流特性

TI TPS61094 60nA I_Q 降壓/升壓轉(zhuǎn)換器可在延長電池壽命的同時，在待機(jī)模式、中間模式和工作模式下保持出色效率。TPS61094 主要具有三個好處：

• 在寬負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)超高效率。在 V_OUT = 3.3V 且 V_IN大于5V 的條件下，負(fù)載為 5μA 至 250mA 時，TPS61094 可實現(xiàn)大于 90% 的平均效率，在大部分流量計用例中實現(xiàn)高效電源。
• 限制電池的峰值電流。在 Buck_on 模式下為超級電容器充電時，或在補充模式下使用電池對 V_OUT端的重負(fù)載供電時，TPS61094 均可以限制其峰值輸入電流。圖 1 顯示了 TPS61094 的配置，圖 2 顯示的是 V_OUT端有 200mA 和 2s 負(fù)載脈沖時的電池峰值電流。在第 1 階段重負(fù)載條件下，峰值電流限制在 7mA。在第 2 階段負(fù)載釋放后，器件以 10mA 的恒定電流對超級電容器充電。當(dāng)超級電容器的電壓經(jīng)過充電恢復(fù)至0V 時，器件會停止充電，但仍處于 Buck_on 模式。

圖 1：TPS61094 的配置

圖 2：示波器顯示重負(fù)載下的電池峰值電流結(jié)果

• 在整個溫度范圍內(nèi)，超級電容器可提供的能量保持不變。通常情況下，使用混合層電容器 (HLC) 或雙電層電容器 (EDLC) 作為電源緩沖器可提高脈沖負(fù)載能力。但是，這些無源器件內(nèi)存儲的能量取決于電池電壓。溫度降低時，電池電壓也會隨之下降，這會削弱 HLC 或 EDLC 的脈沖負(fù)載能力，并增大電池的電源電流。要解決這個問題，TPS61094 會使超級電容器的電壓保持穩(wěn)定，無論溫度如何變化都不會改變電壓。

超級電容器內(nèi)的可用能量取決于超級電容器的容量、設(shè)定的超級電容器兩端最大電壓和 TPS61094 的欠壓鎖定功能。超級電容器的可用能量越多，在連續(xù)重負(fù)載條件下的工作時間越長。

圖 3 分別顯示了采用 TPS61094 或僅使用超級電容器的電源緩沖器解決方案。在 TPS61094 解決方案中，超級電容器電壓設(shè)定為 2V。TPS61094 為連續(xù)負(fù)載供電時，可從超級電容器吸收功率，直到超級電容器電壓降為 0.6V。因此，可以借助公式 1 計算超級電容器上的可用能量：

?(1)

其中 ? 是轉(zhuǎn)換器的平均效率。

在溫度為 –40°C 的最差情況下，TPS61094 可在輸入電壓為 2V 至 0.6V、電流為 150mA 時實現(xiàn) 92% 的平均效率。公式 2 顯示計算結(jié)果為：

(2)

圖 3：TPS61094 與 HLC/EDLC 配置

在 HLC 或 EDLC 解決方案中，可用能量隨著電池電壓的變化而變化。在溫度為 –40°C 且電流為 10mA 時，LS33600 電壓會降至 3V。利用公式 3 計算可用能量為：

?? (3)

對公式 2 和 3 的結(jié)果進(jìn)行比較，可發(fā)現(xiàn) TPS61094 解決方案的可用能量是 HLC 和 EDLC 解決方案的兩倍。這意味著有更多的能量被輸送到負(fù)載，并且在極端情況下，電池的峰值電流會降低。例如，如果在 3.3V 的電壓下使用 200mA 負(fù)載來驅(qū)動閥門，HLC 或 EDLC 解決方案僅能在 2.8s 時間內(nèi)支持負(fù)載。具有集成式超級電容器的 TPS61094 降壓/升壓轉(zhuǎn)換器可在長達(dá) 7.8s 的時間內(nèi)支持負(fù)載（假設(shè)由電源緩沖器為所有負(fù)載供電）。

結(jié)語

流量計具有復(fù)雜的負(fù)載消耗曲線，因此需要使用電源緩沖器，以幫助延長 LiSOCl₂電池的壽命。TPS61094 可在寬工作范圍內(nèi)實現(xiàn)出色效率，是解決壽命長度難題的理想之選。通過限制電池的峰值電流，這款降壓/升壓轉(zhuǎn)換器可更大程度提升容量以及超級電容器的可用能量，與 HLC 或 EDLC 解決方案相比，可使系統(tǒng)在低溫條件下工作更長時間。

其他資源

• 查看 TPS61094 數(shù)據(jù)表。
• 閱讀應(yīng)用手冊《用于智能儀表的 TPS61094 長壽命、具有成本優(yōu)勢的解決方案》。
• 閱讀模擬設(shè)計期刊文章《I_Q：定義、常見誤解及其使用方式》。
• 閱讀文章《延長流量計電池壽命的 5 個優(yōu)秀實踐》