許多通過線路供電的現(xiàn)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，電表可通過射頻接口提供關(guān)于斷電的時(shí)間、地點(diǎn)和持續(xù)時(shí)間的詳細(xì)信息。由于具有以下優(yōu)勢(shì)，窄帶物聯(lián)網(wǎng)?(NB-IoT)?最近在上述用途中很受歡迎：

• 使用現(xiàn)有的?2G、3G?和?4G?頻段。
• 由美洲、歐洲和亞洲國(guó)家的一個(gè)或多個(gè)運(yùn)營(yíng)商提供支持。
• 與通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)?(GPRS)?相比，功率和峰值電流顯著降低。

精心設(shè)計(jì)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(hù)。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(zhuǎn)換器和一款超級(jí)電容器，滿足?NB-IoT?和射頻標(biāo)準(zhǔn)。我們還將對(duì)基于?TPS61094?的解決方案與現(xiàn)有的?TI?參考設(shè)計(jì)進(jìn)行比較。

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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(shù)據(jù)傳送模式下峰值為?310mA，持續(xù)?1.32s，負(fù)載在不同的操作模式下也顯著變化。整個(gè)過程的平均電流消耗為?30mA，持續(xù)?80s?– 負(fù)載在此期間需要容量足夠的備用電源并在主電網(wǎng)突然斷電時(shí)進(jìn)行無(wú)縫電源切換。TPS61094 60nA?靜態(tài)電流?(I_Q)?雙向降壓/升壓轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)可靠且簡(jiǎn)單的備用電源設(shè)計(jì)，同時(shí)作為單芯片解決方案，無(wú)需額外電路即可實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器充電和放電功能。

* 針對(duì)客戶和終端設(shè)備。可能是數(shù)分鐘至數(shù)天。

表?1：Saft Batteries?的?NB-IoT?負(fù)載曲線示例

為使用一個(gè)超級(jí)電容器和?TPS61094?實(shí)現(xiàn)有效的備用電源電路，圖?1?顯示了我們?nèi)绾闻渲?span>?TPS61094 評(píng)估模塊?(EVM)，為表?1?中的?NB-IoT?負(fù)載曲線提供足夠的備用電源支持。

圖?1：TPS61094 EVM?備用電源配置

當(dāng)系統(tǒng)電源接通時(shí)，TPS61094?進(jìn)入?Buck_on?模式：打開旁路場(chǎng)效應(yīng)晶體管?(FET)，為超級(jí)電容器提供?500mA?的恒定電流，并在超級(jí)電容器兩端電壓為?2.5V?時(shí)停止充電。V_SYS?直接為?V_OUT?供電。當(dāng)斷電導(dǎo)致?V_SYS?下降時(shí)，TPS61094?會(huì)自動(dòng)進(jìn)入?Boost_on?模式：關(guān)閉旁路?FET，并通過超級(jí)電容器中存儲(chǔ)的電荷為?V_OUT?供電。

圖?2?顯示了使用示波器對(duì)備用電源完整循環(huán)進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果。V_IN?表示電網(wǎng)的系統(tǒng)電壓。V_OUT?是?TPS61094?的輸出電壓，V_SUP?是超級(jí)電容器電壓。I_OUT?是負(fù)載消耗的電流。在我們的示例中，負(fù)載消耗?100mA，是負(fù)載曲線平均電流消耗的?3.33?倍。我們?cè)黾恿素?fù)載，從而確定在更極端的負(fù)載條件下，TPS61094?在電網(wǎng)斷電時(shí)如何切換輸入電源。

當(dāng)系統(tǒng)功率突然下降時(shí)，TPS61094?立即進(jìn)入?Boost_on?模式，并利用超級(jí)電容器的功率調(diào)節(jié)?V_OUT。降壓/升壓轉(zhuǎn)換器在?254.5s?內(nèi)提供所需的輸出電流，可處理?11.5?次?NB-IoT?事務(wù)。TPS61094?對(duì)超級(jí)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(tǒng)?V_IN?恢復(fù)。在?Buck_on?模式下，TPS61094?以恒定電流為超級(jí)電容器無(wú)縫充電。正如圖?2?所示，超級(jí)電容器放電和充電之間的切換非常平穩(wěn)。

圖?2：TPS61094?下電上電測(cè)量結(jié)果

其他備用電源實(shí)現(xiàn)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(jí)電容器備用電源參考設(shè)計(jì)，它使用分立式電路為超級(jí)電容器充電，并使用?TPS61022?升壓轉(zhuǎn)換器在電網(wǎng)斷電時(shí)將超級(jí)電容器電壓升至更高的系統(tǒng)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(jí)電容器備用電源參考設(shè)計(jì)，它使用?TPS63802?降壓/升壓轉(zhuǎn)換器作為超級(jí)電容器充電器和穩(wěn)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)實(shí)現(xiàn)電源?ORing、充電電流限制和超級(jí)電容器終端電壓設(shè)置。

表?2?列出了每種備用電源方法的重要特性。

* TPS61094 和?TPS61022?的?V_IN?最小值為?0.7V。TPS63802?的?V_IN?為?1.3V。

表?2：備用電源解決方案概述

結(jié)語(yǔ)

低功耗無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。憑借高集成度、簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)和卓越的輕負(fù)載效率，TPS61094?適用于使用?LTE-M、Lora、藍(lán)牙和其他新興無(wú)線接口的備用電源應(yīng)用。如需更高的輸出電流，電表或電流限制參考設(shè)計(jì)是非常有效的解決方案。盡管該設(shè)計(jì)需要更多的分立式元件，但支持更高功率的射頻傳輸，如?GPRS。

其他資源

• 下載?TPS61094 數(shù)據(jù)表。
• 查看?TPS63802 硬件開發(fā)套件。
• 請(qǐng)參閱應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)《解決具有大功率無(wú)線通信的電表的備用電源難題》。
• 閱讀模擬設(shè)計(jì)期刊文章《I_Q：定義、常見誤解及其使用方式》。