使用低 Iq 降壓升壓轉(zhuǎn)換器延長(zhǎng)流量計(jì)電池壽命的 3 個(gè)好處

1、前言

鋰亞硫酰氯 (LiSOCI 2 ) 電池在智能流量計(jì)中很受歡迎，因?yàn)榕c二氧化錳鋰 (LiMnO 2 )等化學(xué)電池相比，它們提供更高的能量密度和更好的每瓦成本比。LiSOCl 2電池的缺點(diǎn)之一是對(duì)峰值負(fù)載的響應(yīng)較差，這會(huì)導(dǎo)致電池可用容量下降。因此，在本文中，我們將介紹一種將峰值負(fù)載與電池去耦的有效方法，在幾百毫安的范圍內(nèi)，可以幫助延長(zhǎng)電池壽命。

最大化可用電池容量很重要，因?yàn)樗瓜到y(tǒng)設(shè)計(jì)能夠支持：

· 同一塊電池可提供更多儀表讀數(shù)和數(shù)據(jù)傳輸。

· 相同電池的使用壽命更長(zhǎng)。

· 具有相同使用壽命的較小電池。

通過在更多種類的流量計(jì)中更多地重復(fù)使用單個(gè)流量計(jì)設(shè)計(jì)，整體效果將電池和維護(hù)成本以及開發(fā)成本降至最低

2.延長(zhǎng)電池壽命

成功的儀表設(shè)計(jì)需要能夠維持較長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間（>15 年），同時(shí)支持閥門控制、數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。延長(zhǎng)電池壽命是增加儀表運(yùn)行時(shí)間的有效方法。但是，如果將電池直接連接到負(fù)載而中間沒有任何電源緩沖器，則儀表的復(fù)雜負(fù)載曲線可能會(huì)降低電池的使用壽命。

根據(jù)電流水平，我們可以將標(biāo)準(zhǔn)電表的負(fù)載消耗曲線劃分為待機(jī)模式、中級(jí)模式和活動(dòng)模式。每種模式對(duì)電池壽命的影響不同：

· 待機(jī)模式消耗 5 μA 至 100 μA。它主要是來自計(jì)量、微控制器和保護(hù)電路的靜態(tài)電流 (I Q )。盡管絕對(duì)值非常小，但它通常是儀表壽命的主要貢獻(xiàn)者。在待機(jī)模式下，任何連接的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的 I Q都應(yīng)該在納安范圍內(nèi)，任何電源緩沖器的泄漏都很小，以提高效率。

· 中級(jí)模式消耗 2 mA 至 10 mA。RX 級(jí)中的模擬前端通常對(duì)此負(fù)載有貢獻(xiàn)。在這種模式下，電源緩沖器的效率對(duì)于最大限度地減少能量損失很重要。

· 主動(dòng)模式消耗最高電流。在主動(dòng)模式下，負(fù)載通常來自TX級(jí)的驅(qū)動(dòng)閥和模擬前端，需要20mA到幾百毫安。直接從 LiSOCl 2電池汲取該電流會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的容量降額。

表 1 展示了 Saft LS33600 電池在不同負(fù)載和溫度條件下的容量降額與 17 Ah 的標(biāo)稱容量。在 +20°C 的工作溫度下，200mA 的負(fù)載電流會(huì)導(dǎo)致 42% 的容量下降。因此，電池不應(yīng)直接為負(fù)載供電。只有采用低泄漏功率緩沖器才能將峰值電流限制在 10 mA 以下。

表 1：Saft Batteries LS33600 的容量與電流特性

TI 的60nA 低I Q降壓/升壓轉(zhuǎn)換器TPS61094 有助于延長(zhǎng)電池壽命，同時(shí)在待機(jī)、中間階段和活動(dòng)模式下保持出色的效率。TPS61094 具有三個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：

· 在寬負(fù)載范圍內(nèi)具有超高效率。在 V OUT = 3.3 V 和 V IN > 1.5 V 的條件下，TPS61094 對(duì)于 5 μA 至 250 mA 的負(fù)載具有 >90% 的平均效率。這可以在大多數(shù)流量計(jì)用例中實(shí)現(xiàn)高效電源。

· 限制從電池汲取的峰值電流。TPS61094 可以在為超級(jí)電容器充電時(shí)工作在 Buck_on 模式時(shí)限制其峰值輸入電流，也可以在使用電池在 V OUT上提供重負(fù)載時(shí)限制其峰值輸入電流。圖 1 說明了 TPS61094 的配置，而圖 2 顯示了當(dāng) V OUT上有 200mA 和 2s 負(fù)載脈沖時(shí)電池的峰值電流。在第 1 階段，負(fù)載很重，峰值電流限制在 7 mA。在第 2 階段釋放負(fù)載后，該設(shè)備正在以 10 mA 的恒定電流為超級(jí)電容器充電。當(dāng)超級(jí)電容器電壓充電回 2.0 V 時(shí)，設(shè)備停止充電但仍保持 Buck_on 模式。

圖 1：TPS61094 的配置

圖 2：重載時(shí)電池峰值電流的示波器結(jié)果

· 在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，來自超級(jí)電容器的可用能量保持不變。通常，使用混合層電容器 (HLC) 或雙電層電容器 (EDLC) 作為電源緩沖器將提高脈沖負(fù)載能力。然而，存儲(chǔ)在這些無源元件中的能量取決于電池電壓。當(dāng)溫度降低時(shí)，電池電壓也會(huì)下降，這會(huì)降低 HLC 或 EDLC 的脈沖負(fù)載能力并增加電池的供電電流。無論溫度如何，TPS61094 都能保持超級(jí)電容器上的電壓穩(wěn)定，從而消除了這個(gè)問題。

超級(jí)電容器中的可用能量由超級(jí)電容器的容量、設(shè)置的超級(jí)電容器兩端的最大電壓和 TPS61094 的欠壓鎖定定義。超級(jí)電容器的可用能量越多，連續(xù)重載的運(yùn)行時(shí)間就越長(zhǎng)。

圖 3 分別顯示了使用 TPS61094 或僅使用超級(jí)電容器的電源緩沖解決方案。對(duì)于 TPS61094 解決方案，超級(jí)電容器電壓設(shè)置為 2V。通過提供連續(xù)負(fù)載，TPS61094 可以從超級(jí)電容器獲取功率直到 0.6V。因此，可以使用公式 1 計(jì)算超級(jí)電容器上的可用能量：

等式 1

其中 ? 是轉(zhuǎn)換器的平均效率。

在 –40°C 的最壞情況下，TPS61094 在 150 mA 電流下對(duì)于 2 V 至 0.6 V 的輸入電壓的平均效率為 92%。公式 2 顯示了計(jì)算結(jié)果：

等式 2

圖 3：TPS61094 與 HLC/EDLC 配置

對(duì)于 HLC 或 EDLC 解決方案，可用能量隨電池電壓而變化。對(duì)于 –40°C 下的 10mA 電流，LS33600 電壓降低至 3V。公式 3 計(jì)算可用能量：

等式 3

比較公式 2 和公式 3 的結(jié)果，TPS61094 解決方案的可用能量是 HLC 和 EDLC 解決方案的兩倍。這意味著可以向負(fù)載提供更多能量，并降低極端條件下從電池汲取的峰值電流。例如，如果有一個(gè) 3.3 V 的 200 mA 負(fù)載來驅(qū)動(dòng)閥門，HLC 或 EDLC 解決方案只能支持負(fù)載 2.8 秒。假設(shè)電源緩沖器為所有負(fù)載供電，帶有集成超級(jí)電容器的 TPS61094 降壓/升壓轉(zhuǎn)換器可以支持負(fù)載長(zhǎng)達(dá) 7.8 s。

3.結(jié)論

流量計(jì)的復(fù)雜負(fù)載消耗曲線需要電源緩沖器來幫助延長(zhǎng) LiSOCl 2電池壽命。TPS61094 在寬工作條件下具有出色的效率，是消除延長(zhǎng)壽命挑戰(zhàn)的理想選擇。通過限制從電池汲取的峰值電流，該降壓/升壓轉(zhuǎn)換器最大限度地提高了其容量并提高了超級(jí)電容器的可用能量，使系統(tǒng)在低溫條件下的運(yùn)行時(shí)間比 HLC 或 EDLC 解決方案更長(zhǎng)。