與鋰二氧化錳 (LiMnO2) 等電池化學物質相比，鋰亞硫醯氯 (LiSOCI2) 電池可實現更高的能量密度和更出色的每瓦成本比，因此普遍用於智慧流量計。但 LiSOCl2 電池有一個缺點，即對峰值負載的回應性較差，這可能導致電池可用容量降低。因此在本文中，我們將探討一種降低電池峰值負載（數百毫安培級）的有效方法，從而幫助延長電池壽命。
更大程度提高電池可用容量是十分重要的，因為這可以使系統設計實現：
在使用相同電池的條件下增加儀錶讀數次數和資料傳輸量。
在使用相同電池的條件下實現更長的壽命。
在工作壽命不變的情況下減小電池尺寸。
通過對更多類型的流量計應用相同的設計，以上優勢可更大程度地降低電池成本、維護成本和開發成本。
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設計難題：延長電池壽命
成功的儀錶設計需要實現長久的執行時間（大於 15 年）以及閥控制、資料記錄和資料傳輸等功能。延長電池壽命是一種延長儀錶執行時間的有效方式。但是，如果不使用任何電源緩衝器，直接將電池與負載進行連接，那麼儀錶複雜的負載曲線可能會縮短電池壽命。
根據電流電平不同，可以將標準儀錶的負載消耗曲線分為待機模式、中間模式和工作模式。每種模式對電池壽命的影響不同：
待機模式的電流消耗為 5µA 至 100µA。主要耗電項為計量、微控制器和保護電路的靜態電流 (IQ)。雖然其絕對值非常小，但通常是影響儀錶壽命的主要因素。處於待機模式時，連接的任一直流/直流轉換器的 IQ 均應處於納安級，電源緩衝器的洩漏值應處於低水準，從而提高效率。
中間模式的電流消耗為 2mA 至 10mA。通常情況下，這類負載來自於 RX 階段的模擬前端。在此模式下，電源緩衝器的效率對於更大程度地減小能量損耗十分重要。
工作模式下的電流消耗最高。在工作模式下，負載通常來自於 TX 階段的驅動閥和類比前端，需要 20mA 至幾百毫安培的電流。直接從 LiSOCl2 電池中獲取電流會使電池容量嚴重降額。
表 1 顯示了在不同的負載和溫度條件下，Saft LS33600 電池在 17Ah 額定容量基礎上的容量降額情況。在工作溫度為 +20°C 時，200mA 負載電流會導致容量降額 42%。因此，絕不可直接使用電池對負載供電。只有使用低洩漏的電源緩衝器，才可以將峰值電流限制在 10mA 以下。
|
容量 (Ah) |
-40°C |
–20°C |
+20°C |
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10mA |
–41.2% |
–17.6% |
無降額 |
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100mA |
–82.35% |
–58.8% |
–23.5% |
|
200mA |
不適用 |
不適用 |
–42.0% |
表 1：Saft Batteries LS33600 電池的容量和電流特性
TI TPS61094 60nA IQ 降壓/升壓轉換器可在延長電池壽命的同時，在待機模式、中間模式和工作模式下保持出色效率。TPS61094 主要具有三個好處：
在寬負載範圍內實現超高效率。在 VOUT = 3.3V 且 VIN 大於 1.5V 的條件下，負載為 5µA 至 250mA 時，TPS61094 可實現大於 90% 的平均效率，在大部分流量計用例中實現高效電源。
限制電池的峰值電流。在 Buck_on 模式下為超級電容器充電時，或在補充模式下使用電池對 VOUT 端的重負載供電時，TPS61094 均可以限制其峰值輸入電流。圖 1 顯示了 TPS61094 的配置，圖 2 顯示的是 VOUT 端有 200mA 和 2s 負載脈衝時的電池峰值電流。在第 1 階段重負載條件下，峰值電流限制在 7mA。在第 2 階段負載釋放後，器件以 10mA 的恒定電流對超級電容器充電。當超級電容器的電壓經過充電恢復至 2.0V 時，器件會停止充電，但仍處於 Buck_on 模式。
圖 1：TPS61094 的配置
圖 2：示波器顯示重負載下的電池峰值電流結果
在整個溫度範圍內，超級電容器可提供的能量保持不變。通常情況下，使用混合層電容器 (HLC) 或雙電層電容器 (EDLC) 作為電源緩衝器可提高脈衝負載能力。但是，這些無源器件內存儲的能量取決於電池電壓。溫度降低時，電池電壓也會隨之下降，這會削弱 HLC 或 EDLC 的脈衝負載能力，並增大電池的電源電流。要解決這個問題，TPS61094 會使超級電容器的電壓保持穩定，無論溫度如何變化都不會改變電壓。
超級電容器內的可用能量取決於超級電容器的容量、設定的超級電容器兩端最大電壓和 TPS61094 的欠壓鎖定功能。超級電容器的可用能量越多，在連續重負載條件下的工作時間越長。
圖 3 分別顯示了採用 TPS61094 或僅使用超級電容器的電源緩衝器解決方案。在 TPS61094 解決方案中，超級電容器電壓設定為 2V。TPS61094 為連續負載供電時，可從超級電容器吸收功率，直到超級電容器電壓降為 0.6V。因此，可以借助公式 1 計算超級電容器上的可用能量：
其中 ŋ 是轉換器的平均效率。
在溫度為 –40°C 的最差情況下，TPS61094 可在輸入電壓為 2V 至 0.6V、電流為 150mA 時實現 92% 的平均效率。公式 2 顯示計算結果為：
圖 3：TPS61094 與 HLC/EDLC 配置
在 HLC 或 EDLC 解決方案中，可用能量隨著電池電壓的變化而變化。在溫度為 –40°C 且電流為 10mA 時，LS33600 電壓會降至 3V。利用公式 3 計算可用能量為：
對公式 2 和 3 的結果進行比較，可發現 TPS61094 解決方案的可用能量是 HLC 和 EDLC 解決方案的兩倍。這意味著有更多的能量被輸送到負載，並且在極端情況下，電池的峰值電流會降低。例如，如果在 3.3V 的電壓下使用 200mA 負載來驅動閥門，HLC 或 EDLC 解決方案僅能在 2.8s 時間內支援負載。具有集成式超級電容器的 TPS61094 降壓/升壓轉換器可在長達 7.8s 的時間內支援負載（假設由電源緩衝器為所有負載供電）。
結語
流量計具有複雜的負載消耗曲線，因此需要使用電源緩衝器，以幫助延長 LiSOCl2 電池的壽命。TPS61094 可在寬工作範圍內實現出色效率，是解決電池壽命難題的理想之選。通過限制電池的峰值電流，這款降壓/升壓轉換器可更大程度提升容量以及超級電容器的可用能量，與 HLC 或 EDLC 解決方案相比，可使系統在低溫條件下工作更長時間。
其他資源
查看 TPS61094 資料表。
閱讀應用手冊《用於智慧型儀器表的 TPS61094 長壽命、具有成本優勢的解決方案》。
閱讀模擬設計期刊文章《IQ：定義、常見誤解及其使用方式》。
閱讀文章《延長流量計電池壽命的 5 個優秀實踐》
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