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众所周知，设计电池供电系统的工程师经常面临一个共同的挑战：即需要在空载或轻负载（在毫安或微安级的低电流范围内）条件下实现高效率。这需要电源具有持续并稳定的输出，同时保持纳安级的超低静态电流。
因此，近日TI推出了一款新型双向降压/升压转换器——TPS61094，具有60nA的超低静态电流(IQ)，是同类竞品升压转换器IQ的三分之一。
TPS61094 降压/升压转换器内部集成了降压型超级电容充电器和升压型DC-DC转换器，同时提供超低静态电流，TPS61094搭配超级电容的方案与目前的混合层电容器 (HLC) 方案相比，该方案可帮助工程师将电池寿命延长多达20%。超级电容的强大的放电能力有助于支持比较大的峰值负载，这对于智能仪表、烟雾探测器和可视门铃等电池供电类工业应用以及需要长待机的医疗应用非常重要。
以低功耗广域网中NB-IoT的场景为例，从电路的角度，我们将对基于 TPS61094 的解决方案与现有的 TI 参考设计进行比较。
NB-IoT 备用电源
表 1 显示了不同 NB-IoT 操作模式下随时间推移的电流消耗。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化。整个过程的平均电流消耗为 30mA，持续 80s。当主电网突然断电时，需要容量足够的备用电源和无缝电源切换的负载持续时间。TPS61094 60nA 静态电流 (IQ) 双向降压/升压转换器可实现可靠且简单的备用电源设计，同时作为单芯片解决方案，无需额外电路即可实现超级电容器充电和放电功能。
* 针对客户和终端设备。可能是数分钟至数天。
表 1：Saft Batteries 的 NB-IoT 负载曲线示例
使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 负载曲线提供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)，为超级电容器提供 500mA 的恒定电流，并在超级电容器两端电压为 2.5V 时停止充电。VSYS 直接为 VOUT 供电。当断电导致 VSYS 下降时，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 显示了使用示波器对备用电源完整循环进行测量的结果。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 是负载消耗的电流。在我们的示例中，负载消耗 100mA，是负载曲线平均电流消耗的 3.33 倍。我们增加了负载，从而确定在更极端的负载条件下，TPS61094 在电网断电时如何切换输入电源。
当系统功率突然下降时，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 内提供所需的输出电流，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 恢复。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 下电上电测量结果
其他备用电源实现方案
您还可以使用其他解决方案，每个解决方案都有优缺点。一种是适用于电表的超级电容器备用电源参考设计，它使用分立式电路为超级电容器充电，并使用 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 解决方案，但需要更多外部元件。
另一种是具有电流限制和主动电池均衡功能的超级电容器备用电源参考设计，它使用 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，但仍需要额外的外部元件来满足ORing 电源控制器、充电电流限制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重要特性。
* TPS61094 和 TPS61022 的 VIN 最小值为 0.7V。TPS63802 的 VIN 为 1.3V。
表 2：备用电源解决方案概述
写在最后
除了NB-IoT以外，TPS61094还可用于LTE-M、Wi-SUN®、MIOTY、Bluetooth®和无线 M-Bus等场景中，切实提高工业物联网应用中的电池寿命。
