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延长流量计电池寿命的5个优秀实践

2021-12-21 18:21:30 德州仪器 阅读:
本文将介绍使用降压/升压转换器和LiSOCI2电池时的五个优秀实践,以更大限度地延长电池寿命并降低总体维护和成本要求。首先,我们讨论一些常见的设计挑战。

流量计使用锂二氧化锰(LiMnO2)和锂亚硫酰氯(LiSOCl2)电池供电。与LiMnO2电池相比LiSOCl2电池可实现更高的能量密度和更出色的每瓦成本比,因此普遍用于流量计。但是,LiSOCI2电池的脉冲响应较差,这会导致瞬态电流负载期间电压大幅下降。dgxednc

可以将混合层电容器(HLC)或双电层电容器等缓冲元件与LiSOCl2电池组合使用以提高其脉冲负载能力,但HLC和LiSOCl2电池的可靠组合成本高昂,并且会影响仪表的总成本。由于电池对流量计的维护要求和寿命也有影响,因此将降压/升压转换器与LiSOCl2电池相结合的替代方法有助于降低整体解决方案成本并延长流量计的使用寿命。dgxednc

本文将介绍使用降压/升压转换器和LiSOCI2电池时的五个优秀实践,以更大限度地延长电池寿命并降低总体维护和成本要求。首先,我们讨论一些常见的设计挑战。dgxednc

设计智能流量计系统时的关键设计难题

典型的流量计系统包含五个重要组成部分:计量前端、通信前端、微控制器(MCU)、电源管理集成电路和保护前端。dgxednc

除了这些要求外,流量计通常外形小巧,必须在现场运行15年以上,且维护成本应尽可能低。dgxednc

典型流量计的功耗概况

表1列出了标准流量计的功耗概况,分为三种工作模式。dgxednc

工作模式 起点  电流范围(A) 对流量计能量管理系统的影响
待机模式 计量、MCU和保护 5µA至100µA 这是影响仪表寿命的主要因素。因此,电源系统应具有出色的效率(> 90%)。
中间模式 接收模式下的通信前端 2 mA至10 mA 一些异步射频(RF)协议(例如窄带物联网)要求射频前端保持在接收模式。在此类情况下,电源系统应保持出色的效率。 
激活模式 发送模式下的通信前端 20mA及更高  这是导致LiSOCI2电池退化的主要因素。因此,电源系统应允许限制从电池汲取的峰值电流,同时保持良好的效率 (>80%)。通常,系统每24小时处于活动模式2分钟,具体取决于实施的通信系统。

 1:标准流量计的功耗概况dgxednc

借助降压/升压转换器设计流量计的优秀实践

为了帮助延长智能流量计设计的电池寿命和性能,请考虑采用以下五个优秀实践。dgxednc

优秀实践1:限制电池提供的峰值电流。

如图1(取自SAFT LS17330电池的数据表)中所示,LiSOCl2电池通常不支持智能流量计中使用的无线电通信系统所需的高动态范围曲线。解决这个问题的一种方法是使用TPS63900降压/升压转换器和一个缓冲元件来过滤电池电流。dgxednc

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 1+20°C下的SAFT LS17330典型放电曲线dgxednc

优秀实践2:使输出和输入电压电平保持独立。

实现独立的电压电平可优化从电池汲取的输入电流曲线以及提供给负载的输出电流。这种做法还简化了输入和输出之间缓冲元件的使用。dgxednc

优秀实践3:使用工作电流较低且待机电流低于500nA的转换器

为了优化系统的能源使用,转换器的平均电流消耗与系统的电流消耗相比必须可以忽略不计。例如,如果流量计的平均电流消耗约为5µA,则转换器的待机电流应低于500nA。dgxednc

优秀实践4:尽可能降低电源系统的电压。

将系统视为由转换器供电的电阻。保持低电源电压可以减少系统消耗的待机电流。dgxednc

优秀实践5:通过动态电压调节优化每种工作模式的电压负载。

如图 2 所示,TPS63900的动态电压调节功能使转换器能够动态改变其输出电压,从而在理想工作点为负载供电。dgxednc

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 2:基于TPS63900的电池前端dgxednc

一些测量数据

在以下条件下进行负载瞬态测量:dgxednc

  • 待机电流(Iout):999ms内为158µA
  • 活动电流(Iout):1ms内为97.4mA
  • 输入电压(Vin):3.6V
  • 输出电压: 3.0 V
  • 输出电容:300µF

如图3和图4所示,TPS63900能够过滤从电池汲取的输入电流,同时保持出色的效率和对输出电压的调节。dgxednc

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 3TPS63900的脉冲响应dgxednc

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 4TPS63900在输入电压为3.6V时的效率dgxednc

通过在2.5mm x 2.5mm封装或21mm2总解决方案尺寸中结合超低待机电流消耗、出色的瞬态响应、输出噪声水平和动态电压调节,TPS63900可帮助解决使用LiSOCl2 电池时遇到的难题,以及传统的更复杂高成本方法在很长时间内都无法解决的难题。dgxednc

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5TPS63900解决方案面积dgxednc

有关使用TPS63900降压/升压转换器进行设计的更多信息,请参阅本文中的其他资源或评论。dgxednc

其他资源dgxednc

关于德州仪器 (TI)

德州仪器(TI)(纳斯达克股票代码:TXN)是一家全球性的半导体公司,致力于设计、制造、测试和销售模拟和嵌入式处理芯片,用于工业、汽车、个人电子产品、通信设备和企业系统等市场。我们致力于通过半导体技术让电子产品更经济实用,创造一个更美好的世界。如今,每一代创新都建立在上一代创新的基础之上,使我们的技术变得更小巧、更快速、更可靠、更实惠,从而实现半导体在电子产品领域的广泛应用,这就是工程的进步。这正是我们数十年来乃至现在一直在做的事。 欲了解更多信息,请访问公司网站http://www.ti.com.cn/dgxednc

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