使用超级电容器作为后备电源的有效方法

1.前言

许多使用线路电源运行的现代智能物联网 (IoT) 设备需要备用电源来安全断电或在意外断电时执行最后的通信。例如，电表可以通过射频 (RF) 接口共享有关停电时间、位置和持续时间的详细信息。最近，鉴于以下优势，窄带物联网 (NB-IoT) 在此类操作中变得流行起来：

·使用现有的 2G、3G 和 4G 频段。

·来自美洲和欧洲和亚洲国家的一个或多个运营商的支持。

·与通用分组无线电服务 (GPRS) 相比，功率和峰值电流显着降低。

精心设计的备用电源方案有助于提供适量的备用电源，在正常和备用操作之间无缝切换，并且可以支持多次停电而无需维护。在本文中，我们将介绍一种使用 TI 的TPS61094降压/升压转换器和单个超级电容器为 NB-IoT 和 RF 标准实施备用电源方案的简单方法。我们还将比较基于 TPS61094 的解决方案与现有的 TI 参考设计。

2.NB-IoT 备用电源

表 1 显示了不同 NB-IoT 操作模式随时间推移的电流消耗。在数据传输模式下峰值为 310 mA，持续 1.32 秒，负载随着操作模式的变化而显着变化。整个过程的平均电流消耗为 30 mA，持续 80 秒——当主电网突然宕机时，需要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。

模式	睡眠模式	传输方式							传输方式
		唤醒和扫描	数据发送		RRC活动	RRC 发布		PSM
电流 (mA)	0.003	28	310	40	20	310	20	8	30 （平均数）
时间（秒）	*	2	1.32	12.68	30	1.25	1	30	80 （总时间）

* 特定于客户和终端设备。可以是几分钟到几天。

表 1：来自 Saft Batteries 的 NB-IoT 负载曲线示例

为了使用单个超级电容器和 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) 以支持表 1 中的 NB-IoT 负载配置文件的足够备用电源。

图 1：TPS61094 EVM 备用电源配置

当系统电源打开时，TPS61094 进入 Buck_on 模式，这会打开旁路场效应晶体管 (FET)，为超级电容器提供 500 mA 的恒定电流，并在超级电容器两端的电压为 2.5 V 时停止充电。 VSYS直接为 VOUT供电。当停电导致 VSYS下降时，TPS61094 自动进入 Boost_on 模式，关闭旁路 FET 并从超级电容器中存储的能量提供 VOUT。

图 2 显示了完整备用电源循环的示波器测量结果。VIN代表来自电网的系统电压。VOUT是 TPS61094 的输出电压，VSUP是超级电容器电压。IOUT显示负载电流消耗。在我们的示例中，负载为 100 mA，是负载配置文件平均电流消耗的 3.33 倍。我们增加了负载，以确定当电网在更极端的负载条件下停机时 TPS61094 如何切换输入功率。

当系统电源突然下降时，TPS61094 立即进入 Boost_on 模式并使用来自超级电容器的电源调节 VOUT。降压/升压转换器提供 254.5 秒所需的输出电流，相当于 11.5 次 NB-IoT 事务。TPS61094 对超级电容器放电，直到其电压降至 0.7 V；此时，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。正如我们在图 2 中看到的，超级电容器放电和充电之间的切换非常平滑。

图 2：TPS61094 电源循环测量

3.其他备用电源实施

我们还可以使用其他解决方案，每个解决方案都有优点和缺点。使用分立电路为超级电容器充电，并使用 TPS61022 升压转换器在电网出现故障时将超级电容器电压升压至更高的系统电压。TPS61022 输出电流能力高于 TPS61094 解决方案，但需要更多外部组件。

另一种方法它使用 TPS63802 降压-升压转换器作为超级电容器充电器和稳压器，并消除了额外的分立充电电路。然而，它仍然需要额外的外部组件来实现电源 ORing、充电电流限制和超级电容器端电压设置。

表 2 列出了每种备用电源方法的最重要特征。

解决方案	TPS61094	1S升压设计	2S升降压设计
核心设备	TPS61094	TPS61022	TPS63802
设备 IQ(uA)	0.06	27	11
正直	高的	低的	中等的
充电电路	融合的	离散的	部分集成
超级电容配置	1秒	1秒	2S
3.3 VOUT 的平均最大输出电流 (mA)*	300	650	1,300
ORing电路	融合的	离散的	离散的
可编程超级电容器端电压	融合的	离散的	离散的
可编程充电电流	融合的	离散的	离散的
可编程输出电压	融合的	融合的	融合的
VIN范围 (V)	0.7-5.5	10-12	3.3-5
VOUT范围 (V)	2.7-5.4	2.2-5.5	1.8 至 4.9 V
备用电源的关键部件	TPS61094	分立充电器，TPS61022	TPS63802、LM6100、INA181A、运算放大器

*对于 TPS61094 和 TPS61022，最小 VIN为 0.7 V。对于 TPS63802，VIN为 1.3 V。

表 2：备用电源解决方案概览

4.结论

低功耗无线标准正变得越来越流行。TPS61094 具有高集成度、简单设计和最佳轻载效率，是具有 LTE-M、Lora、蓝牙和其他新兴无线接口的备用电源应用的理想选择。

如果我们需要更多输出电流，电子表或电流限制参考设计是非常有效的解决方案。虽然它们需要更多的分立元件，但它们可以支持更高功率的 RF 传输，例如 GPRS。