运用超级电容器实现备用电源的有效方法

• 利用现有的 2G、3G 和 4G 频段。

• 由美洲、欧洲和亚洲国家的一个或多个运营商供应支持。

• 与通用分组无线业务 (GPRS) 比较，功率和峰值电流显著降落。

精心设计的备用电源方案有助于供应得当容量的备用电源，在正常和备用供电之间进行无缝切换，并支持多次断电而无需掩护。
在本文中，我们将先容一种履行备用电源方案的大略方法，它利用 TI 的 TPS61094 降压/升压转换器和一款超级电容器，知足 NB-IoT 和射频标准。
我们还将对基于 TPS61094 的办理方案与现有的 TI 参考设计进行比较。

NB-IoT 备用电源

表 1 显示了不同 NB-IoT 操作模式下随韶光推移的电流花费。
在数据传送模式下峰值为 310mA，持续 1.32s，负载在不同的操作模式下也显著变革。
全体过程的均匀电流花费为 30mA，持续 80s。
当主电网溘然断电时，须要容量足够的备用电源和无缝电源切换的负载持续韶光。
TPS61094 60nA 静态电流 (IQ) 双向降压/升压转换器可实现可靠且大略的备用电源设计，同时作为单芯片办理方案，无需额外电路即可实现超级电容器充电和放电功能。

表 1：Saft Batteries 的 NB-IoT 负载曲线示例

利用一个超级电容器和 TPS61094 实现有效的备用电源电路，图 1 显示了我们如何配置 TPS61094 评估模块 (EVM)，为表 1 中的 NB-IoT 负载曲线供应足够的备用电源支持。

图 1：TPS61094 EVM 备用电源配置

当系统电源接通时，TPS61094 进入 Buck_on 模式：打开旁路场效应晶体管 (FET)，为超级电容器供应 500mA 的恒定电流，并在超级电容器两端电压为 2.5V 时停滞充电。
VSYS 直接为 VOUT 供电。
当断电导致 VSYS 低落时，TPS61094 会自动进入 Boost_on 模式：关闭旁路 FET，并通过超级电容器中存储的电荷为 VOUT 供电。

图 2 显示了利用示波器对备用电源完全循环进行丈量的结果。
VIN 表示电网的系统电压。
VOUT 是 TPS61094 的输出电压，VSUP 是超级电容器电压。
IOUT 是负载花费的电流。
在我们的示例中，负载花费 100mA，是负载曲线均匀电流花费的 3.33 倍。
我们增加了负载，从而确定在更极度的负载条件下，TPS61094 在电网断电时如何切换输入电源。

当系统功率溘然低落时，TPS61094 立即进入 Boost_on 模式，并利用超级电容器的功率调节 VOUT。
降压/升压转换器在 254.5s 内供应所需的输出电流，可处理 11.5 次 NB-IoT 事务。
TPS61094 对超级电容器放电，直到其电压降至 0.7V；此时，该器件进入关断模式，直到系统 VIN 规复。
在 Buck_on 模式下，TPS61094 以恒定电流为超级电容器无缝充电。
如图 2 所示，超级电容器放电和充电之间的切换非常平稳。

图 2：TPS61094 下电上电丈量结果

其他备用电源实现方案

您还可以利用其他办理方案，每个办理方案都有优缺陷。
一种是适用于电表的超级电容器备用电源参考设计，它利用分立式电路为超级电容器充电，并利用 TPS61022 升压转换器在电网断电时将超级电容器电压升至更高的系统电压。
TPS61022 输出电流能力高于 TPS61094 办理方案，但须要更多外部元件。

另一种是具有电流限定和主动电池均衡功能的超级电容器备用电源参考设计，它利用 TPS63802 降压/升压转换器作为超级电容器充电器和稳压器，并省去了额外的分立式充电电路，但仍须要额外的外部元件来知足ORing 电源掌握器、充电电流限定和超级电容器终端电压设置的需求。

表 2 列出了每种备用电源方法的主要特性。

TPS61094 和 TPS61022 的 VIN 最小值为 0.7V。
TPS63802 的 VIN 为 1.8V。

表 2：备用电源办理方案概述

结语

低功耗无线标准的运用越来越广泛。
凭借高集成度、大略设计和卓越的轻负载效率，TPS61094适用于利用 LTE-M、Lora、蓝牙和其他新兴无线接口的备用电源运用。

如需更高的输出电流，电表或电流限定参考设计是非常有效的办理方案。
只管该设计须要更多的分立式元件，但可以支持例如GPRS等更高功率的射频传输。

其他资源

• 下载 TPS61094 数据表。

• 查看 TPS63802 硬件开拓套件。

• 请参阅运用简报《办理具有大功率无线通信的电表的备用电源难题》。

• 阅读仿照设计期刊文章《IQ：定义、常见误解及其利用办法》。

关于德州仪器(TI)

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