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

1、前言

锂亚硫酰氯 (LiSOCI 2 ) 电池在智能流量计中很受欢迎，因为与二氧化锰锂 (LiMnO 2 )等化学电池相比，它们提供更高的能量密度和更好的每瓦成本比。LiSOCl 2电池的缺点之一是对峰值负载的响应较差，这会导致电池可用容量下降。因此，在本文中，我们将介绍一种将峰值负载与电池去耦的有效方法，在几百毫安的范围内，可以帮助延长电池寿命。

最大化可用电池容量很重要，因为它使系统设计能够支持：

· 同一块电池可提供更多仪表读数和数据传输。

· 相同电池的使用寿命更长。

· 具有相同使用寿命的较小电池。

通过在更多种类的流量计中更多地重复使用单个流量计设计，整体效果将电池和维护成本以及开发成本降至最低

2.延长电池寿命

成功的仪表设计需要能够维持较长的运行时间（>15 年），同时支持阀门控制、数据记录和数据传输等功能。延长电池寿命是增加仪表运行时间的有效方法。但是，如果将电池直接连接到负载而中间没有任何电源缓冲器，则仪表的复杂负载曲线可能会降低电池的使用寿命。

根据电流水平，我们可以将标准电表的负载消耗曲线划分为待机模式、中级模式和活动模式。每种模式对电池寿命的影响不同：

· 待机模式消耗 5 µA 至 100 µA。它主要是来自计量、微控制器和保护电路的静态电流 (I Q )。尽管绝对值非常小，但它通常是仪表寿命的主要贡献者。在待机模式下，任何连接的 DC/DC 转换器的 I Q都应该在纳安范围内，任何电源缓冲器的泄漏都很小，以提高效率。

· 中级模式消耗 2 mA 至 10 mA。RX 级中的模拟前端通常对此负载有贡献。在这种模式下，电源缓冲器的效率对于最大限度地减少能量损失很重要。

· 主动模式消耗最高电流。在主动模式下，负载通常来自TX级的驱动阀和模拟前端，需要20mA到几百毫安。直接从 LiSOCl 2电池汲取该电流会导致严重的容量降额。

表 1 展示了 Saft LS33600 电池在不同负载和温度条件下的容量降额与 17 Ah 的标称容量。在 +20°C 的工作温度下，200mA 的负载电流会导致 42% 的容量下降。因此，电池不应直接为负载供电。只有采用低泄漏功率缓冲器才能将峰值电流限制在 10 mA 以下。

表 1：Saft Batteries LS33600 的容量与电流特性

TI 的60nA 低I Q降压/升压转换器TPS61094 有助于延长电池寿命，同时在待机、中间阶段和活动模式下保持出色的效率。TPS61094 具有三个主要优点：

· 在宽负载范围内具有超高效率。在 V OUT = 3.3 V 和 V IN > 1.5 V 的条件下，TPS61094 对于 5 µA 至 250 mA 的负载具有 >90% 的平均效率。这可以在大多数流量计用例中实现高效电源。

· 限制从电池汲取的峰值电流。TPS61094 可以在为超级电容器充电时工作在 Buck_on 模式时限制其峰值输入电流，也可以在使用电池在 V OUT上提供重负载时限制其峰值输入电流。图 1 说明了 TPS61094 的配置，而图 2 显示了当 V OUT上有 200mA 和 2s 负载脉冲时电池的峰值电流。在第 1 阶段，负载很重，峰值电流限制在 7 mA。在第 2 阶段释放负载后，该设备正在以 10 mA 的恒定电流为超级电容器充电。当超级电容器电压充电回 2.0 V 时，设备停止充电但仍保持 Buck_on 模式。

图 1：TPS61094 的配置

图 2：重载时电池峰值电流的示波器结果

· 在整个温度范围内，来自超级电容器的可用能量保持不变。通常，使用混合层电容器 (HLC) 或双电层电容器 (EDLC) 作为电源缓冲器将提高脉冲负载能力。然而，存储在这些无源元件中的能量取决于电池电压。当温度降低时，电池电压也会下降，这会降低 HLC 或 EDLC 的脉冲负载能力并增加电池的供电电流。无论温度如何，TPS61094 都能保持超级电容器上的电压稳定，从而消除了这个问题。

超级电容器中的可用能量由超级电容器的容量、设置的超级电容器两端的最大电压和 TPS61094 的欠压锁定定义。超级电容器的可用能量越多，连续重载的运行时间就越长。

图 3 分别显示了使用 TPS61094 或仅使用超级电容器的电源缓冲解决方案。对于 TPS61094 解决方案，超级电容器电压设置为 2V。通过提供连续负载，TPS61094 可以从超级电容器获取功率直到 0.6V。因此，可以使用公式 1 计算超级电容器上的可用能量：

等式 1

其中 ŋ 是转换器的平均效率。

在 –40°C 的最坏情况下，TPS61094 在 150 mA 电流下对于 2 V 至 0.6 V 的输入电压的平均效率为 92%。公式 2 显示了计算结果：

等式 2

图 3：TPS61094 与 HLC/EDLC 配置

对于 HLC 或 EDLC 解决方案，可用能量随电池电压而变化。对于 –40°C 下的 10mA 电流，LS33600 电压降低至 3V。公式 3 计算可用能量：

等式 3

比较公式 2 和公式 3 的结果，TPS61094 解决方案的可用能量是 HLC 和 EDLC 解决方案的两倍。这意味着可以向负载提供更多能量，并降低极端条件下从电池汲取的峰值电流。例如，如果有一个 3.3 V 的 200 mA 负载来驱动阀门，HLC 或 EDLC 解决方案只能支持负载 2.8 秒。假设电源缓冲器为所有负载供电，带有集成超级电容器的 TPS61094 降压/升压转换器可以支持负载长达 7.8 s。

3.结论

流量计的复杂负载消耗曲线需要电源缓冲器来帮助延长 LiSOCl 2电池寿命。TPS61094 在宽工作条件下具有出色的效率，是消除延长寿命挑战的理想选择。通过限制从电池汲取的峰值电流，该降压/升压转换器最大限度地提高了其容量并提高了超级电容器的可用能量，使系统在低温条件下的运行时间比 HLC 或 EDLC 解决方案更长。