使用低 IQ 降压/升压转换器延长流量计电池寿命的 3 个好处

文章转载自：TI

与锂二氧化锰?(LiMnO2)?等电池化学物质相比，锂亚硫酰氯?(LiSOCI2)?电池可实现更高的能量密度和更出色的每瓦成本比，因此普遍用于智能流量计。但?LiSOCl2?电池有一个缺点，即对峰值负载的响应性较差，这可能导致电池可用容量降低。因此在本文中，我们将探讨一种降低电池峰值负载（数百毫安级）的有效方法，从而帮助延长电池寿命。

更大程度提高电池可用容量是十分重要的，因为这可以使系统设计实现：

• 在使用相同电池的条件下增加仪表读数次数和数据传输量。
• 在使用相同电池的条件下实现更长的寿命。
• 在工作寿命不变的情况下减小电池尺寸。

通过对更多类型的流量计应用相同的设计，以上优势可更大程度地降低电池成本、维护成本和开发成本。

设计难题：延长电池寿命

成功的仪表设计需要实现长久的运行时间（大于?15?年）以及阀控制、数据记录和数据传输等功能。延长电池寿命是一种延长仪表运行时间的有效方式。但是，如果不使用任何电源缓冲器，直接将电池与负载进行连接，那么仪表复杂的负载曲线可能会缩短电池寿命。

根据电流电平不同，可以将标准仪表的负载消耗曲线分为待机模式、中间模式和工作模式。每种模式对电池寿命的影响不同：

• 待机模式的电流消耗为?5μA?至?100μA。主要耗电项为计量、微控制器和保护电路的静态电流?(IQ)。虽然其绝对值非常小，但通常是影响仪表寿命的主要因素。处于待机模式时，连接的任一直流/直流转换器的?IQ?均应处于纳安级，电源缓冲器的泄漏值应处于低水平，从而提高效率。
• 中间模式的电流消耗为?2mA?至?10mA。通常情况下，这类负载来自于?RX?阶段的模拟前端。在此模式下，电源缓冲器的效率对于更大程度地减小能量损耗十分重要。
• 工作模式下的电流消耗最高。在工作模式下，负载通常来自于?TX?阶段的驱动阀和模拟前端，需要?20mA?至几百毫安的电流。直接从?LiSOCl2?电池中获取电流会使电池容量严重降额。

表?1?显示了在不同的负载和温度条件下，Saft LS33600?电池在?17Ah?额定容量基础上的容量降额情况。在工作温度为?+20°C?时，200mA?负载电流会导致容量降额?42%。因此，绝不可直接使用电池对负载供电。只有使用低泄漏的电源缓冲器，才可以将峰值电流限制在?10mA?以下。

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表?1：

TI?TPS61094?60nA IQ?降压/升压转换器可在延长电池寿命的同时，在待机模式、中间模式和工作模式下保持出色效率。TPS61094?主要具有三个好处：

• 在宽负载范围内实现超高效率。在?VOUT?= 3.3V?且?VIN?大于5V?的条件下，负载为?5μA?至?250mA?时，TPS61094?可实现大于?90%?的平均效率，在大部分流量计用例中实现高效电源。
• 限制电池的峰值电流。在?Buck_on?模式下为超级电容器充电时，或在补充模式下使用电池对?VOUT?端的重负载供电时，TPS61094?均可以限制其峰值输入电流。图?1?显示了?TPS61094?的配置，图?2?显示的是?VOUT?端有?200mA?和?2s?负载脉冲时的电池峰值电流。在第?1?阶段重负载条件下，峰值电流限制在?7mA。在第?2?阶段负载释放后，器件以?10mA?的恒定电流对超级电容器充电。当超级电容器的电压经过充电恢复至0V?时，器件会停止充电，但仍处于?Buck_on?模式。

图?1：TPS61094?的配置

图?2：示波器显示重负载下的电池峰值电流结果

• 在整个温度范围内，超级电容器可提供的能量保持不变。通常情况下，使用混合层电容器?(HLC)?或双电层电容器?(EDLC)?作为电源缓冲器可提高脉冲负载能力。但是，这些无源器件内存储的能量取决于电池电压。温度降低时，电池电压也会随之下降，这会削弱?HLC?或?EDLC?的脉冲负载能力，并增大电池的电源电流。要解决这个问题，TPS61094?会使超级电容器的电压保持稳定，无论温度如何变化都不会改变电压。

超级电容器内的可用能量取决于超级电容器的容量、设定的超级电容器两端最大电压和?TPS61094?的欠压锁定功能。超级电容器的可用能量越多，在连续重负载条件下的工作时间越长。

图?3?分别显示了采用?TPS61094?或仅使用超级电容器的电源缓冲器解决方案。在?TPS61094?解决方案中，超级电容器电压设定为?2V。TPS61094?为连续负载供电时，可从超级电容器吸收功率，直到超级电容器电压降为?0.6V。因此，可以借助公式?1?计算超级电容器上的可用能量：

其中 ? 是转换器的平均效率。

在温度为 –40°C?的最差情况下，TPS61094?可在输入电压为?2V?至?0.6V、电流为?150mA?时实现?92%?的平均效率。公式?2?显示计算结果为：

图?3：TPS61094?与?HLC/EDLC?配置

在?HLC?或?EDLC?解决方案中，可用能量随着电池电压的变化而变化。在温度为 –40°C?且电流为?10mA?时，LS33600?电压会降至?3V。利用公式?3?计算可用能量为：

对公式?2?和?3?的结果进行比较，可发现?TPS61094?解决方案的可用能量是?HLC?和?EDLC?解决方案的两倍。这意味着有更多的能量被输送到负载，并且在极端情况下，电池的峰值电流会降低。例如，如果在?3.3V?的电压下使用?200mA?负载来驱动阀门，HLC?或?EDLC?解决方案仅能在?2.8s?时间内支持负载。具有集成式超级电容器的?TPS61094?降压/升压转换器可在长达?7.8s?的时间内支持负载（假设由电源缓冲器为所有负载供电）。

结语

流量计具有复杂的负载消耗曲线，因此需要使用电源缓冲器，以帮助延长?LiSOCl2?电池的寿命。TPS61094?可在宽工作范围内实现出色效率，是解决寿命长度难题的理想之选。通过限制电池的峰值电流，这款降压/升压转换器可更大程度提升容量以及超级电容器的可用能量，与?HLC?或?EDLC?解决方案相比，可使系统在低温条件下工作更长时间。