使用TPS63900延长传感器锂电池的使用寿命

1.前言
2.设计挑战
3.增加电池使用寿命方案介绍
4.结论

1.前言

使用到流量计
一般是锂二氧化锰 (LiMnO 2 ) 和
锂亚硫酰氯 (LiSOCl 2 ) 电池作为电源

LiSOCl 2电池在流量计中很受欢迎，
因为它们比 LiMnO 2电池提供更好的能量密度和
更有效的每瓦特成本比

但是LiSOCI 2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

我们一般把混合层电容器 (HLC) 或双电层电容器等缓冲元件与 LiSOCl 2电池组合以提高其脉冲负载能力，
但 HLC 和 LiSOCl 2电池的可靠组合成本高昂，
并且会影响总成本。

但是电池对仪表的维护要求和使用寿命产生很大影响，
因此想到一个使用升降压转换器与 LiSOCl 2电池
相结合的替代方法有助于降低整体解决方案成本
并延长仪表的使用寿命。

我选择的器件是TPS63900,
集成动态电压调节功能，
可以将电池寿命延长至少50％
TPS63900集成了动态电压调节功能，
可在提供功率的同时保持系统处在有效运行所需的更低电压，
从而更大限度地延长了电池寿命并减少工业应用所需的维护。

2.设计挑战

典型的流量计系统包括五个关键组件，
包括计量前端、通信前端、微控制器 (MCU)、
电源管理集成电路和保护前端。

除了这些要求之外，流量计通常外形小巧，
并且必须在现场运行最少超过 15 年且免维护。
表 1 列出了分为三种操作模式的标准电表的功耗曲线

表 1：标准流量计的功耗曲线

使用降压-升压转换器设计仪表的最佳实践
为了帮助延长智能电表设计的电池寿命和性能，
请考虑以下五个最佳实践

3.增加电池使用寿命方案介绍

步骤 1：限制从电池汲取的峰值电流

正如您在图 1（来自 SAFT LS17330 电池的数据表）中所见，
LiSOCl 2电池通常不支持智能电表中使用的无线电通信系统
所需的高动态范围配置文件。

克服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。

图 1：+20°C 时 SAFT LS17330 的典型放电曲线

步骤 2：使输出和输入电压电平独立

实现独立的电压电平可优化从电池汲取的输入电流曲线
和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区元素的使用。

步骤 3：使用工作电流低且待机电流低于 500 nA 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 5 µA，
则转换器的待机电流应低于 500 nA

步骤 4：保持供电系统的电压尽可能低

将系统视为转换器提供的电阻
保持低电源电压可以减少系统消耗的待机电流

步骤 5：通过动态电压缩放优化每种工作模式的电压负载

如图 2 所示，
TPS63900 的动态电压缩放功能使转换器能够动态改变其输出电压，从而在最佳工作点为负载供电。
 

图 2： 基于 TPS63900 的电池前端

一些测量参数：
让我们在这些条件下进行负载瞬态测量：
待机电流 (Iout)：999 ms 期间为 158 µA
有功电流 (Iout)：1 ms 期间为 97.4 mA
输入电压 (Vin)：3.6 V，
输出电压：3.0V
输出电容：300 µF

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。

图 3：TPS63900 的脉冲响应

图 4：输入电压为 3.6V 时 TPS63900 的效率

TPS63900 将超低待机电流消耗、出色的瞬态响应、
输出噪声水平和动态电压缩放结合在
2.5 毫米 x 2.5 毫米封装或 21 毫米2总解决方案尺寸中，
可以帮助解决工作中的挑战使用 LiSOCl 2电池并通过传统的、
更复杂和昂贵的方法解决了很长时间。

图 5：TPS63900 PCB布局

4.结论

按照上述方法，
我们可以增加电池的使用寿命，
至少延长至少50％