使用低 Iq 降壓升壓轉換器延長流量計電池壽命的 3 個好處

1、前言

鋰亞硫酰氯 (LiSOCI 2 ) 電池在智能流量計中很受歡迎，因為與二氧化錳鋰 (LiMnO 2 )等化學電池相比，它們提供更高的能量密度和更好的每瓦成本比。LiSOCl 2電池的缺點之一是對峰值負載的響應較差，這會導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載與電池去耦的有效方法，在幾百毫安的范圍內，可以幫助延長電池壽命。

最大化可用電池容量很重要，因為它使系統(tǒng)設計能夠支持：

· 同一塊電池可提供更多儀表讀數和數據傳輸。

· 相同電池的使用壽命更長。

· 具有相同使用壽命的較小電池。

通過在更多種類的流量計中更多地重復使用單個流量計設計，整體效果將電池和維護成本以及開發(fā)成本降至最低

2.延長電池壽命

成功的儀表設計需要能夠維持較長的運行時間（>15 年），同時支持閥門控制、數據記錄和數據傳輸等功能。延長電池壽命是增加儀表運行時間的有效方法。但是，如果將電池直接連接到負載而中間沒有任何電源緩沖器，則儀表的復雜負載曲線可能會降低電池的使用壽命。

根據電流水平，我們可以將標準電表的負載消耗曲線劃分為待機模式、中級模式和活動模式。每種模式對電池壽命的影響不同：

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

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

· 主動模式消耗最高電流。在主動模式下，負載通常來自TX級的驅動閥和模擬前端，需要20mA到幾百毫安。直接從 LiSOCl 2電池汲取該電流會導致嚴重的容量降額。

表 1 展示了 Saft LS33600 電池在不同負載和溫度條件下的容量降額與 17 Ah 的標稱容量。在 +20°C 的工作溫度下，200mA 的負載電流會導致 42% 的容量下降。因此，電池不應直接為負載供電。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/升壓轉換器TPS61094 有助于延長電池壽命，同時在待機、中間階段和活動模式下保持出色的效率。TPS61094 具有三個主要優(yōu)點：

· 在寬負載范圍內具有超高效率。在 V OUT = 3.3 V 和 V IN > 1.5 V 的條件下，TPS61094 對于 5 μA 至 250 mA 的負載具有 >90% 的平均效率。這可以在大多數流量計用例中實現高效電源。

· 限制從電池汲取的峰值電流。TPS61094 可以在為超級電容器充電時工作在 Buck_on 模式時限制其峰值輸入電流，也可以在使用電池在 V OUT上提供重負載時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 V OUT上有 200mA 和 2s 負載脈沖時電池的峰值電流。在第 1 階段，負載很重，峰值電流限制在 7 mA。在第 2 階段釋放負載后，該設備正在以 10 mA 的恒定電流為超級電容器充電。當超級電容器電壓充電回 2.0 V 時，設備停止充電但仍保持 Buck_on 模式。

圖 1：TPS61094 的配置

圖 2：重載時電池峰值電流的示波器結果

· 在整個溫度范圍內，來自超級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載能力。然而，存儲在這些無源元件中的能量取決于電池電壓。當溫度降低時，電池電壓也會下降，這會降低 HLC 或 EDLC 的脈沖負載能力并增加電池的供電電流。無論溫度如何，TPS61094 都能保持超級電容器上的電壓穩(wěn)定，從而消除了這個問題。

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

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

等式 1

其中 ? 是轉換器的平均效率。

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

等式 2

圖 3：TPS61094 與 HLC/EDLC 配置

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

等式 3

比較公式 2 和公式 3 的結果，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 3.3 V 的 200 mA 負載來驅動閥門，HLC 或 EDLC 解決方案只能支持負載 2.8 秒。假設電源緩沖器為所有負載供電，帶有集成超級電容器的 TPS61094 降壓/升壓轉換器可以支持負載長達 7.8 s。

3.結論

流量計的復雜負載消耗曲線需要電源緩沖器來幫助延長 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/升壓轉換器最大限度地提高了其容量并提高了超級電容器的可用能量，使系統(tǒng)在低溫條件下的運行時間比 HLC 或 EDLC 解決方案更長。