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使用低IQ降壓/升壓轉換器延長流量計電池續航力的三個優點

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德州儀器新聞稿 發表於 2021年11月25日
鋰亞電池 (LiSOCI2) 是常用於智慧流量計的選擇,因為相較於鋰錳電池 (LiMnO2) 等電池化學物質,鋰亞電池可提供較高的能源密度和較佳的每瓦特成本比率。LiSOCl2 電池的缺點之一在於其對峰值負載的回應較差,而這會導致可用的電池容量下降。因此在本文中,我們將說明可將電池的峰值負載去耦的有效方法,範圍則為數百毫安培,以藉此延長電池續航力。
 
將可用電池容量最大化至關重要,因為這樣一來,系統設計即可提供以下支援:
  • 以相同電池進行更多次讀表和數據資料傳輸作業。
  • 延長相同電池的使用壽命。
  • 以較小的電池達到相同的運作壽命。
前述整體效果讓我們能將單一流量計設計重複用於更多種流量計中,因此可將電池成本、維修成本以及開發成本皆降至最低。
 
設計挑戰:延長電池續航力

成功的量表設計需要能維持更長的運作時間 (超過 15 年),同時實現如閥門控制、數據資料記錄和數據資料傳輸等功能。延長電池續航力是可延長量表運作時間的有效方法。但是若在電池和負載之間沒有任何功率緩衝器的情況下,直接將電池連結至負載,則量表的複雜負載輪廓可能會對電池的使用壽命性能造成損害。
 
根據電流等級而定,您可將標準量表的負載消耗輪廓分為待機模式、中階模式和主動模式。每種模式對電池續航力的影響都不同:
  • 待機模式會消耗 5 µA 至 100 µA。這主要是來自量測、微控制器和保護電路的靜態電流 (IQ)。雖然其絕對值非常小,但一般都是影響量表壽命的主要因素。在待機模式下,任何連接的 DC/DC 轉換器 IQ 都應介於奈安培範圍內,且任何功率緩衝器的洩漏都應極小,以改善效率。
  • 中階模式會消耗 2 mA 至 10 mA。RX 階段的類比前端通常是造成此負載的因素。若要將此模式下的能源損耗降至最低,功率緩衝器的效率至關重要。
  • 主動模式消耗的電流最高。在主動模式下,負載通常來自驅動閥和 TX 階段的類比前端,並且需要 20 mA 至數百毫安培的電流。若直接從 LiSOCl2 電池汲取前述大小的電流,會導致電池可使用容量降低。
表 1 顯示了在不同負載和溫度條件下,Saft LS33600 電池 (17 Ah) 的容量減額和額定容量。在操作溫度為 +20°C 時,200-mA 的負載電流會導致容量衰退 42%。因此,絕對不可使用電池直接對負載供電。唯一可將尖峰電流限制在 10 mA 以下的方法,就是採用低洩漏的功率緩衝器。
 
容量 (Ah) -40°C –20°C +20°C
10 mA –41.2% –17.6% 無降額
100 mA –82.35% –58.8% –23.5%
200 mA 不適用 不適用 –42.0%
表 1:Saft Batteries 的 LS33600 容量與電流特性
 
TI 的 60-nA IQ 降壓/升壓轉換器 TPS61094 可協助延長電池續航力,同時在待機、中階和主動模式中,都能保有優異的效率。TPS61094 具有三項主要優點:
  • 在廣泛的負載範圍中皆具備超高效率。在 VOUT = 3.3 V 且 VIN >1.5 V 的條件下,TPS61094 對 5 µA 至 250 mA 負載的平均效率超過 90%。因此在大多數的流量計應用實例中,都可實現高效率的電源供應器。
  • 限制從電池汲取的尖峰電流。TPS61094 可在以 Buck on 模式運作並為超級電容器充電時,限制尖峰輸入電流,且在輔助模式下以電池向 VOUT 的高負載供電時,也可限制尖峰輸入電流。圖 1 所示為 TPS61094 的配置,而圖 2 則顯示了當 VOUT 有 200-mA 和 2-s 負載脈衝時的電池尖峰電流。在相位 1 下的高負載時,尖峰電流限制為 7 mA。在相位 2 中解除負載後,產品就會以 10-mA 定電流為超級電容器充電。當超級電容器電壓充回至 2.0 V 時,產品會停止充電,但仍會繼續處於 Buck on 模式。


圖1、TPS61094的配置


圖2、高負載下的電池尖峰電流示波器結果
  • 在溫度範圍內,來自超級電容器的可用能源不變。一般使用多層電容器 (HLC) 或雙電層電容器 (EDLC) 做為功率緩衝器,可提高脈衝負載能力。然而,儲存在這些被動元件中的能源需視電池電壓而定。溫度降低時,電池電壓也會下降,進而使 HLC 或 EDLC 的脈衝負載能力劣化,並造成電池的供應電流增加。而 TPS61094 可維持超級電容器的電壓穩定,且不受溫度影響,因此能排除前述問題。
超級電容器中的可用能源,是根據超級電容器的容量、超級電容器的設定最大電壓,以及 TPS61094 的欠壓閉鎖來決定。超級電容器具有的可用能源越多,在持續高負載下的運作時間就越長。
 
圖 3 所示的功率緩衝器解決方案,分別為使用 TPS61094 和只使用超級電容器的解決方案。對於 TPS61094 解決方案,超級電容器的電壓設定為 2 V。透過向持續負載供電,TPS61094 可從超級電容器汲取電力,直到達到 0.6 V。因此可使用等式 1 計算超級電容器的可用能源:
 
               (1)
 
ŋ 為轉換器的平均效率。
 
在 –40°C 的最惡劣情況下,當輸入電壓從 2 V 降至 0.6 V 時,TPS61094 在 150 mA 時的平均效率為 92%。等式 2 顯示計算結果:
 
           (2)
 

圖3、TPS61094和HLC/EDLC配置
 
對於 HLC 或 EDLC 解決方案,可用能源會隨著電池電壓改變。就 –40°C 下的 10-mA 電流而言,LS33600 電壓會降低至 3 V。等式 3 可計算可用能源:
 
   (3)
 
若比較等式 2 和等式 3 的結果,可看出 TPS61094 解決方案的可用能源達 HLC 與 EDLC 解決方案的兩倍。這代表可向負載傳輸更多能源,並且可在極端條件下降低從電池汲取的尖峰電流。例如,若在 3.3 V 下驅動閥的負載為 200-mA,HLC 或 EDLC 解決方案可支援負載的時間只有 2.8 秒。而具備整合式超級電容器的 TPS61094 降壓/升壓轉換器能支援負載的時間,則會長達 7.8 秒 (假設功率緩衝器向所有負載供電)。
 
結論

由於流量計的負載消耗輪廓複雜,因此需要採用功率緩衝器以協助延長 LiSOCl2 電池續航力。TPS61094 在眾多操作條件下都可發揮優異效率,讓其成為克服使用壽命挑戰的理想選擇。透過限制從電池汲取的尖峰電流,這款降壓/升壓轉換器可將容量最大化,並提高超級電容器的可用能源,因此相較於 HLC 或 EDLC 解決方案,系統將能在低溫條件下運作更長的時間。(1960字;圖1)
 
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