使用超级电容器实现备用电源的有效方法

作者：德州仪器

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：

•        使用现有的 2G、3G 和 4G 频段。
•        由美洲、欧洲和亚洲国家的一个或多个运营商提供支持。
•        与通用分组无线业务 (GPRS) 相比，功率和峰值电流显著降低。

精心设计的备用电源方案有助于提供合适容量的备用电源，在正常和备用供电之间进行无缝切换，并支持多次断电而无需维护。在本文中，我们将介绍一种实施备用电源方案的简单方法，它使用 TI 的 TPS61094 降压/升压转换器和一款超级电容器，满足 NB-IoT 和射频标准。我们还将对基于 TPS61094 的解决方案与现有的 TI 参考设计进行比较。

NB-IoT 备用电源

表 1 显示了不同 NB-IoT 操作模式下随时间推移的电流消耗。在数据传送模式下峰值为 310mA，持续 1.32s，负载在不同的操作模式下也显著变化。整个过程的平均电流消耗为 30mA，持续 80s。当主电网突然断电时，需要容量足够的备用电源和无缝电源切换的负载持续时间。TPS61094 60nA 静态电流 (IQ) 双向降压/升压转换器可实现可靠且简单的备用电源设计，同时作为单芯片解决方案，无需额外电路即可实现超级电容器充电和放电功能。

表 1：Saft Batteries 的 NB-IoT 负载曲线示例

    模式    睡眠模式  传送模式  传送模式
  唤醒和扫描  数据传送  RRC 活动  RRC 版本  PSM
  电流 (mA)  0.003  28  310  40  20  310  20  8  30  （均值）
  时间 (s)  *  2  1.32  12.68  30  1.25  1  30  80  （总时间）

使用一个超级电容器和 TPS61094 实现有效的备用电源电路，图 1 显示了我们如何配置 TPS61094 评估模块 (EVM)，为表 1 中的 NB-IoT 负载曲线提供足够的备用电源支持。


图 1：TPS61094 EVM 备用电源配置

当系统电源接通时，TPS61094 进入 Buck_on 模式：打开旁路场效应晶体管 (FET)，为超级电容器提供 500mA 的恒定电流，并在超级电容器两端电压为 2.5V 时停止充电。VSYS 直接为 VOUT 供电。当断电导致 VSYS 下降时，TPS61094 会自动进入 Boost_on 模式：关闭旁路 FET，并通过超级电容器中存储的电荷为 VOUT 供电。

图 2 显示了使用示波器对备用电源完整循环进行测量的结果。VIN 表示电网的系统电压。VOUT 是 TPS61094 的输出电压，VSUP 是超级电容器电压。IOUT 是负载消耗的电流。在我们的示例中，负载消耗 100mA，是负载曲线平均电流消耗的 3.33 倍。我们增加了负载，从而确定在更极端的负载条件下，TPS61094 在电网断电时如何切换输入电源。

当系统功率突然下降时，TPS61094 立即进入 Boost_on 模式，并利用超级电容器的功率调节 VOUT。降压/升压转换器在 254.5s 内提供所需的输出电流，可处理 11.5 次 NB-IoT 事务。TPS61094 对超级电容器放电，直到其电压降至 0.7V；此时，该器件进入关断模式，直到系统 VIN 恢复。在 Buck_on 模式下，TPS61094 以恒定电流为超级电容器无缝充电。如图 2 所示，超级电容器放电和充电之间的切换非常平稳。


图 2：TPS61094 下电上电测量结果

其他备用电源实现方案

您还可以使用其他解决方案，每个解决方案都有优缺点。一种是适用于电表的超级电容器备用电源参考设计，它使用分立式电路为超级电容器充电，并使用 TPS61022 升压转换器在电网断电时将超级电容器电压升至更高的系统电压。TPS61022 输出电流能力高于 TPS61094 解决方案，但需要更多外部元件。
另一种是具有电流限制和主动电池均衡功能的超级电容器备用电源参考设计，它使用 TPS63802 降压/升压转换器作为超级电容器充电器和稳压器，并省去了额外的分立式充电电路，但仍需要额外的外部元件来满足ORing 电源控制器、充电电流限制和超级电容器终端电压设置的需求。

表 2 列出了每种备用电源方法的重要特性。

表 2：备用电源解决方案概述

       解决方案  TPS61094  1S 升压设计  2S 降压/升压设计
  核心器件  TPS61094  TPS61022  TPS63802
  器件 IQ (uA)  0.06  27  11
  完整性  高  低  中
  充电电路  集成  分立式  部分集成式
  超级电容器配置  1S  1S  2S
  3.3V VOUT  的平均最大输出电流 (mA)*  300  650  1,000
  ORing 电路  集成  分立式  分立式
  可编程的超级电容器终端电压  集成  分立式  分立式
  可编程充电电流  集成  分立式  分立式
  可编程的输出电压  集成  集成  集成
  VIN 范围  (V)  0.7-5.5  10月12日  2.5-5
  VOUT 范围  (V)  2.7-5.4  2.2-5.5  1.8 至 5.2 V
  备用电源的关键元件  TPS61094  分立式充电器、TPS61022  TPS63802、LM6100、INA181A、运算放大器

结语

低功耗无线标准的应用越来越广泛。凭借高集成度、简单设计和卓越的轻负载效率，TPS61094适用于使用 LTE-M、Lora、蓝牙和其他新兴无线接口的备用电源应用。

如需更高的输出电流，电表或电流限制参考设计是非常有效的解决方案。尽管该设计需要更多的分立式元件，但可以支持例如GPRS等更高功率的射频传输。