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作者：德州儀器 許多通過(guò)線(xiàn)路供電的現代智能物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 器件都需要備用電源，以便在意外斷電時(shí)安全斷電或保持通信不斷。例如，電表可通過(guò)射頻接口提供關(guān)于斷電的時(shí)間、地點(diǎn)和持續時(shí)間的詳細信息。由于具有以下優(yōu)勢，窄帶物聯(lián)網(wǎng) (NB-IoT) 最近在上述用途中很受歡迎： • 使用現有的 2G、3G 和 4G 頻段。 • 由美洲、歐洲和亞洲國家的一個(gè)或多個(gè)運營(yíng)商提供支持。 • 與通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù) (GPRS) 相比，功率和峰值電流顯著(zhù)降低。 精心設計的備用電源方案有助于提供合適容量的備用電源，在正常和備用供電之間進(jìn)行無(wú)縫切換，并支持多次斷電而無(wú)需維護。在本文中，我們將介紹一種實(shí)施備用電源方案的簡(jiǎn)單方法，它使用 TI 的 TPS61094 降壓/升壓轉換器和一款超級電容器，滿(mǎn)足 NB-IoT 和射頻標準。我們還將對基于 TPS61094 的解決方案與現有的 TI 參考設計進(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。在數據傳送模式下峰值為 310mA，持續 1.32s，負載在不同的操作模式下也顯著(zhù)變化。整個(gè)過(guò)程的平均電流消耗為 30mA，持續 80s。當主電網(wǎng)突然斷電時(shí)，需要容量足夠的備用電源和無(wú)縫電源切換的負載持續時(shí)間。TPS61094 60nA 靜態(tài)電流 (IQ) 雙向降壓/升壓轉換器可實(shí)現可靠且簡(jiǎn)單的備用電源設計，同時(shí)作為單芯片解決方案，無(wú)需額外電路即可實(shí)現超級電容器充電和放電功能。 表 1：Saft Batteries 的 NB-IoT 負載曲線(xiàn)示例
使用一個(gè)超級電容器和 TPS61094 實(shí)現有效的備用電源電路，圖 1 顯示了我們如何配置 TPS61094 評估模塊 (EVM)，為表 1 中的 NB-IoT 負載曲線(xiàn)提供足夠的備用電源支持。 
圖 1：TPS61094 EVM 備用電源配置 當系統電源接通時(shí)，TPS61094 進(jìn)入 Buck_on 模式：打開(kāi)旁路場(chǎng)效應晶體管 (FET)，為超級電容器提供 500mA 的恒定電流，并在超級電容器兩端電壓為 2.5V 時(shí)停止充電。VSYS 直接為 VOUT 供電。當斷電導致 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)超級電容器中存儲的電荷為 VOUT 供電。 圖 2 顯示了使用示波器對備用電源完整循環(huán)進(jìn)行測量的結果。VIN 表示電網(wǎng)的系統電壓。VOUT 是 TPS61094 的輸出電壓，VSUP 是超級電容器電壓。IOUT 是負載消耗的電流。在我們的示例中，負載消耗 100mA，是負載曲線(xiàn)平均電流消耗的 3.33 倍。我們增加了負載，從而確定在更極端的負載條件下，TPS61094 在電網(wǎng)斷電時(shí)如何切換輸入電源。 當系統功率突然下降時(shí)，TPS61094 立即進(jìn)入 Boost_on 模式，并利用超級電容器的功率調節 VOUT。降壓/升壓轉換器在 254.5s 內提供所需的輸出電流，可處理 11.5 次 NB-IoT 事務(wù)。TPS61094 對超級電容器放電，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 VIN 恢復。在 Buck_on 模式下，TPS61094 以恒定電流為超級電容器無(wú)縫充電。如圖 2 所示，超級電容器放電和充電之間的切換非常平穩。
圖 2：TPS61094 下電上電測量結果 其他備用電源實(shí)現方案 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電容器備用電源參考設計，它使用分立式電路為超級電容器充電，并使用 TPS61022 升壓轉換器在電網(wǎng)斷電時(shí)將超級電容器電壓升至更高的系統電壓。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電容器備用電源參考設計，它使用 TPS63802 降壓/升壓轉換器作為超級電容器充電器和穩壓器，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(mǎn)足ORing 電源控制器、充電電流限制和超級電容器終端電壓設置的需求。 表 2 列出了每種備用電源方法的重要特性。 表 2：備用電源解決方案概述
結語(yǔ) 低功耗無(wú)線(xiàn)標準的應用越來(lái)越廣泛。憑借高集成度、簡(jiǎn)單設計和卓越的輕負載效率，TPS61094適用于使用 LTE-M、Lora、藍牙和其他新興無(wú)線(xiàn)接口的備用電源應用。 如需更高的輸出電流，電表或電流限制參考設計是非常有效的解決方案。盡管該設計需要更多的分立式元件，但可以支持例如GPRS等更高功率的射頻傳輸。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
