許多通過線路供電的現代智慧物聯網 (IoT) 器件都需要備用電源，以便在意外斷電時安全斷電或保持通信不斷。例如，電錶可通過射頻介面提供關於斷電的時間、地點和持續時間的詳細資訊。由於具有以下優勢，窄帶物聯網 (NB-IoT) 最近在上述用途中很受歡迎：
• 使用現有的 2G、3G 和 4G 頻段。
• 由美洲、歐洲和亞洲國家的一個或多個運營商提供支援。
• 與通用分組無線業務 (GPRS) 相比，功率和峰值電流顯著降低。
精心設計的備用電源配置有助於提供合適容量的備用電源，在正常和備用供電之間進行無縫切換，並支持多次斷電而無需維護。在本文中，我們將介紹一種實施備用電源配置的簡單方法，它使用 TI 的 TPS61094 降壓/升壓轉換器和一款超級電容器，滿足 NB-IoT 和射頻標準。我們還將對基於 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。在資料傳送模式下峰值為 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，同時作為單晶片解決方案，無需額外電路即可實現超級電容器充電和放電功能。
|
模式 |
睡眠模式 |
傳送模式 |
傳送模式 |
||||||
|
喚醒和掃描 |
資料傳送 |
RRC 活動 |
RRC 版本 |
PSM |
|||||
|
電流 (mA) |
0.003 |
28 |
310 |
40 |
20 |
310 |
20 |
8 |
30 （均值） |
|
時間 (s) |
* |
2 |
1.32 |
12.68 |
30 |
1.25 |
1 |
30 |
80 （總時間） |
* 針對客戶和終端設備。可能是數分鐘至數天。
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 評估模組 (EVM)，為表 1 中的 NB-IoT 負載曲線提供足夠的備用電源支援。
圖 1：TPS61094 EVM 備用電源配置
當系統電源接通時，TPS61094 進入 Buck_on 模式：打開旁路場效應電晶體 (FET)，為超級電容器提供 500mA 的恒定電流，並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，並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迴圈進行測量的結果。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，並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。一種是適用於電錶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，並使用 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 輸出電流能力高於 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，並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。
|
解決方案 |
TPS61094 |
1S 升壓設計 |
2S 降壓/升壓設計 |
|
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 |
|
可程式設計的超級電容器終端電壓 |
集成 |
分立式 |
分立式 |
|
可程式設計充電電流 |
集成 |
分立式 |
分立式 |
|
可程式設計的輸出電壓 |
集成 |
集成 |
集成 |
|
VIN 範圍 (V) |
0.7-5.5 |
10-12 |
2.5-5 |
|
VOUT 範圍 (V) |
2.7-5.4 |
2.2-5.5 |
1.8 至 5.2 V |
|
備用電源的關鍵元件 |
TPS61094 |
分立式充電器、TPS61022 |
TPS63802、LM6100、INA181A、運算放大器 |
* TPS61094 和 TPS61022 的 VIN 最小值為 0.7V。TPS63802 的 VIN 為 1.8V。
表 2：備用電源解決方案概述
結語
低功耗無線標準的應用越來越廣泛。憑藉高集成度、簡單設計和卓越的輕負載效率，TPS61094適用於使用 LTE-M、Lora、藍牙和其他新興無線介面的備用電源應用。
如需更高的輸出電流，電錶或電流限制參考設計是非常有效的解決方案。儘管該設計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。
其他資源
• 下載 TPS61094 資料表。
• 查看 TPS63802 硬體開發套件。
• 請參閱應用簡報《解決具有大功率無線通訊的電錶的備用電源難題》。
• 閱讀模擬設計期刊文章《IQ：定義、常見誤解及其使用方式》。
關於德州儀器(TI)
德州儀器（TI）（納斯達克股票代碼：TXN）是一家全球性的半導體公司，致力於設計、製造、測試和銷售類比和嵌入式處理晶片，用於工業、汽車、個人電子產品、通信設備和企業系統等市場。我們致力於通過半導體技術讓電子產品更經濟實用，創造一個更美好的世界。如今，每一代創新都建立在上一代創新的基礎之上，使我們的技術變得更小巧、更快速、更可靠、更實惠，從而實現半導體在電子產品領域的廣泛應用，這就是工程的進步。這正是我們數十年來乃至現在一直在做的事。 欲瞭解更多資訊，請訪問公司網站http://www.ti.com.cn/。
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