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作者：德州儀器 與鋰二氧化錳 (LiMnO2) 等電池化學物質相比，鋰亞硫酰氯 (LiSOCI2) 電池可實現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計。但 LiSOCl2 電池有一個缺點，即對峰值負載的響應性較差，這可能導致電池可用容量降低。因此在本文中，我們將探討一種降低電池峰值負載（數百毫安級）的有效方法，從而幫助延長電池壽命。 更大程度提高電池可用容量是十分重要的，因為這可以使系統設計實現： 在使用相同電池的條件下增加儀表讀數次數和數據傳輸量。 在使用相同電池的條件下實現更長的壽命。 在工作壽命不變的情況下減小電池尺寸。 通過對更多類型的流量計應用相同的設計，以上優勢可更大程度地降低電池成本、維護成本和開發成本。 觀看 TPS61094 演示視頻 設計難題：延長電池壽命 成功的儀表設計需要實現長久的運行時間（大于 15 年）以及閥控制、數據記錄和數據傳輸等功能。延長電池壽命是一種延長儀表運行時間的有效方式。但是，如果不使用任何電源緩沖器，直接將電池與負載進行連接，那么儀表復雜的負載曲線可能會縮短電池壽命。 根據電流電平不同，可以將標準儀表的負載消耗曲線分為待機模式、中間模式和工作模式。每種模式對電池壽命的影響不同： 待機模式的電流消耗為 5μA 至 100μA。主要耗電項為計量、微控制器和保護電路的靜態電流 (IQ)。雖然其絕對值非常小，但通常是影響儀表壽命的主要因素。處于待機模式時，連接的任一直流/直流轉換器的 IQ 均應處于納安級，電源緩沖器的泄漏值應處于低水平，從而提高效率。 中間模式的電流消耗為 2mA 至 10mA。通常情況下，這類負載來自于 RX 階段的模擬前端。在此模式下，電源緩沖器的效率對于更大程度地減小能量損耗十分重要。 工作模式下的電流消耗最高。在工作模式下，負載通常來自于 TX 階段的驅動閥和模擬前端，需要 20mA 至幾百毫安的電流。直接從 LiSOCl2 電池中獲取電流會使電池容量嚴重降額。 表 1 顯示了在不同的負載和溫度條件下，Saft LS33600 電池在 17Ah 額定容量基礎上的容量降額情況。在工作溫度為 +20°C 時，200mA 負載電流會導致容量降額 42%。因此，絕不可直接使用電池對負載供電。只有使用低泄漏的電源緩沖器，才可以將峰值電流限制在 10mA 以下。 表 1：Saft Batteries LS33600 電池的容量和電流特性 容量 (Ah) -40°C –20°C +20°C 10mA –41.2% –17.6% 無降額 100mA –82.35% –58.8% –23.5% 200mA 不適用 不適用 –42.0% TI TPS61094 60nA IQ 降壓/升壓轉換器可在延長電池壽命的同時，在待機模式、中間模式和工作模式下保持出色效率。TPS61094 主要具有三個好處： 在寬負載范圍內實現超高效率。在 VOUT = 3.3V 且 VIN 大于 1.5V 的條件下，負載為 5μA 至 250mA 時，TPS61094 可實現大于 90% 的平均效率，在大部分流量計用例中實現高效電源。 限制電池的峰值電流。在 Buck_on 模式下為超級電容器充電時，或在補充模式下使用電池對 VOUT 端的重負載供電時，TPS61094 均可以限制其峰值輸入電流。圖 1 顯示了 TPS61094 的配置，圖 2 顯示的是 VOUT 端有 200mA 和 2s 負載脈沖時的電池峰值電流。在第 1 階段重負載條件下，峰值電流限制在 7mA。在第 2 階段負載釋放后，器件以 10mA 的恒定電流對超級電容器充電。當超級電容器的電壓經過充電恢復至 2.0V 時，器件會停止充電，但仍處于 Buck_on 模式。 
圖 1：TPS61094 的配置
圖 2：示波器顯示重負載下的電池峰值電流結果 在整個溫度范圍內，超級電容器可提供的能量保持不變。通常情況下，使用混合層電容器 (HLC) 或雙電層電容器 (EDLC) 作為電源緩沖器可提高脈沖負載能力。但是，這些無源器件內存儲的能量取決于電池電壓。溫度降低時，電池電壓也會隨之下降，這會削弱 HLC 或 EDLC 的脈沖負載能力，并增大電池的電源電流。要解決這個問題，TPS61094 會使超級電容器的電壓保持穩定，無論溫度如何變化都不會改變電壓。 超級電容器內的可用能量取決于超級電容器的容量、設定的超級電容器兩端最大電壓和 TPS61094 的欠壓鎖定功能。超級電容器的可用能量越多，在連續重負載條件下的工作時間越長。 圖 3 分別顯示了采用 TPS61094 或僅使用超級電容器的電源緩沖器解決方案。在 TPS61094 解決方案中，超級電容器電壓設定為 2V。TPS61094 為連續負載供電時，可從超級電容器吸收功率，直到超級電容器電壓降為 0.6V。因此，可以借助公式 1 計算超級電容器上的可用能量： E = (1/2 CV_1^2 - 1/2 CV_2^2 ) × ŋ (1) 其中 ŋ 是轉換器的平均效率。 在溫度為 –40°C 的最差情況下，TPS61094 可在輸入電壓為 2V 至 0.6V、電流為 150mA 時實現 92% 的平均效率。公式 2 顯示計算結果為： E = (1/2 × 3.3 × 2^2-1/2 × 3.3 × 〖0.6〗^2 ) × 0.9232=5.5447 J (2)
圖 3：TPS61094 與 HLC/EDLC 配置 在 HLC 或 EDLC 解決方案中，可用能量隨著電池電壓的變化而變化。在溫度為 –40°C 且電流為 10mA 時，LS33600 電壓會降至 3V。利用公式 3 計算可用能量為： E = 1/2 × 1.65 × 3^2 - 1/2 × 1.65 × 〖2.6〗^2=1.848 J (3) 對公式 2 和 3 的結果進行比較，可發現 TPS61094 解決方案的可用能量是 HLC 和 EDLC 解決方案的兩倍。這意味著有更多的能量被輸送到負載，并且在極端情況下，電池的峰值電流會降低。例如，如果在 3.3V 的電壓下使用 200mA 負載來驅動閥門，HLC 或 EDLC 解決方案僅能在 2.8s 時間內支持負載。具有集成式超級電容器的 TPS61094 降壓/升壓轉換器可在長達 7.8s 的時間內支持負載（假設由電源緩沖器為所有負載供電）。 結語 流量計具有復雜的負載消耗曲線，因此需要使用電源緩沖器，以幫助延長 LiSOCl2 電池的壽命。TPS61094 可在寬工作范圍內實現出色效率，是解決電池壽命難題的理想之選。通過限制電池的峰值電流，這款降壓/升壓轉換器可更大程度提升容量以及超級電容器的可用能量，與 HLC 或 EDLC 解決方案相比，可使系統在低溫條件下工作更長時間。 |
