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眾所周知，設(shè)計(jì)電池供電系統(tǒng)的工程師經(jīng)常面臨一個(gè)共同的挑戰(zhàn)：即需要在空載或輕負(fù)載（在毫安或微安級(jí)的低電流范圍內(nèi)）條件下實(shí)現(xiàn)高效率。這需要電源具有持續(xù)并穩(wěn)定的輸出，同時(shí)保持納安級(jí)的超低靜態(tài)電流。

因此，近日TI推出了一款新型雙向降壓/升壓轉(zhuǎn)換器——TPS61094，具有60nA的超低靜態(tài)電流(IQ)，是同類競(jìng)品升壓轉(zhuǎn)換器IQ的三分之一。
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TPS61094 降壓/升壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)部集成了降壓型超級(jí)電容充電器和升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器，同時(shí)提供超低靜態(tài)電流，TPS61094搭配超級(jí)電容的方案與目前的混合層電容器 (HLC) 方案相比，該方案可幫助工程師將電池壽命延長(zhǎng)多達(dá)20%。超級(jí)電容的強(qiáng)大的放電能力有助于支持比較大的峰值負(fù)載，這對(duì)于智能儀表、煙霧探測(cè)器和可視門鈴等電池供電類工業(yè)應(yīng)用以及需要長(zhǎng)待機(jī)的醫(yī)療應(yīng)用非常重要。

以低功耗廣域網(wǎng)中NB-IoT的場(chǎng)景為例，從電路的角度，我們將對(duì)基于 TPS61094 的解決方案與現(xiàn)有的 TI 參考設(shè)計(jì)進(jìn)行比較。

NB-IoT 備用電源

表 1 顯示了不同 NB-IoT 操作模式下隨時(shí)間推移的電流消耗。在數(shù)據(jù)傳送模式下峰值為 310mA，持續(xù) 1.32s，負(fù)載在不同的操作模式下也顯著變化。整個(gè)過(guò)程的平均電流消耗為 30mA，持續(xù) 80s。當(dāng)主電網(wǎng)突然斷電時(shí)，需要容量足夠的備用電源和無(wú)縫電源切換的負(fù)載持續(xù)時(shí)間。TPS61094 60nA 靜態(tài)電流 (IQ) 雙向降壓/升壓轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)可靠且簡(jiǎn)單的備用電源設(shè)計(jì)，同時(shí)作為單芯片解決方案，無(wú)需額外電路即可實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器充電和放電功能。

?* 針對(duì)客戶和終端設(shè)備?？赡苁菙?shù)分鐘至數(shù)天。
表 1：Saft Batteries 的 NB-IoT 負(fù)載曲線示例

使用一個(gè)超級(jí)電容器和 TPS61094 實(shí)現(xiàn)有效的備用電源電路，圖 1 顯示了我們?nèi)绾闻渲?TPS61094 評(píng)估模塊 (EVM)，為表 1 中的 NB-IoT 負(fù)載曲線提供足夠的備用電源支持。

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圖 1：TPS61094 EVM 備用電源配置

當(dāng)系統(tǒng)電源接通時(shí)，TPS61094 進(jìn)入 Buck_on 模式：打開(kāi)旁路場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET)，為超級(jí)電容器提供 500mA 的恒定電流，并在超級(jí)電容器兩端電壓為 2.5V 時(shí)停止充電。VSYS 直接為 VOUT 供電。當(dāng)斷電導(dǎo)致 VSYS 下降時(shí)，TPS61094 會(huì)自動(dòng)進(jìn)入 Boost_on 模式：關(guān)閉旁路 FET，并通過(guò)超級(jí)電容器中存儲(chǔ)的電荷為 VOUT 供電。

圖 2 顯示了使用示波器對(duì)備用電源完整循環(huán)進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果。VIN 表示電網(wǎng)的系統(tǒng)電壓。VOUT 是 TPS61094 的輸出電壓，VSUP 是超級(jí)電容器電壓。IOUT 是負(fù)載消耗的電流。在我們的示例中，負(fù)載消耗 100mA，是負(fù)載曲線平均電流消耗的 3.33 倍。我們?cè)黾恿素?fù)載，從而確定在更極端的負(fù)載條件下，TPS61094 在電網(wǎng)斷電時(shí)如何切換輸入電源。

當(dāng)系統(tǒng)功率突然下降時(shí)，TPS61094 立即進(jìn)入 Boost_on 模式，并利用超級(jí)電容器的功率調(diào)節(jié) VOUT。降壓/升壓轉(zhuǎn)換器在 254.5s 內(nèi)提供所需的輸出電流，可處理 11.5 次 NB-IoT 事務(wù)。TPS61094 對(duì)超級(jí)電容器放電，直到其電壓降至 0.7V；此時(shí)，該器件進(jìn)入關(guān)斷模式，直到系統(tǒng) VIN 恢復(fù)。在 Buck_on 模式下，TPS61094 以恒定電流為超級(jí)電容器無(wú)縫充電。如圖 2 所示，超級(jí)電容器放電和充電之間的切換非常平穩(wěn)。

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圖 2：TPS61094 下電上電測(cè)量結(jié)果

其他備用電源實(shí)現(xiàn)方案

您還可以使用其他解決方案，每個(gè)解決方案都有優(yōu)缺點(diǎn)。一種是適用于電表的超級(jí)電容器備用電源參考設(shè)計(jì)，它使用分立式電路為超級(jí)電容器充電，并使用 TPS61022 升壓轉(zhuǎn)換器在電網(wǎng)斷電時(shí)將超級(jí)電容器電壓升至更高的系統(tǒng)電壓。TPS61022 輸出電流能力高于 TPS61094 解決方案，但需要更多外部元件。

另一種是具有電流限制和主動(dòng)電池均衡功能的超級(jí)電容器備用電源參考設(shè)計(jì)，它使用 TPS63802 降壓/升壓轉(zhuǎn)換器作為超級(jí)電容器充電器和穩(wěn)壓器，并省去了額外的分立式充電電路，但仍需要額外的外部元件來(lái)滿足ORing 電源控制器、充電電流限制和超級(jí)電容器終端電壓設(shè)置的需求。

表 2 列出了每種備用電源方法的重要特性。

* TPS61094 和 TPS61022 的 VIN 最小值為 0.7V。TPS63802 的 VIN 為 1.3V。
表 2：備用電源解決方案概述