毫微功率物联网电源准确监视电池放电

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本文作者:

凌力尔特公司

波士顿设计中心总监

Samuel Nork

能够监视从心率、房间温度到大楼房客等每样事情的互联设备在日益增多,物联网 (IoT) 指的就是这类互联设备组成的网络。新应用每天都在产生,以通过无线局域网测量和报告各类数据,这些无线局域网也许再通过网关直接连至互联网。如果专家们所说正确,那么要不了多久,我们只要在智能手机上滑动一下手指,就能够监视健康情况和家中每一样电器的状态、关上所有电灯并准确得知宠物们在哪里。无处不在的无线监视系统使我们能够随时随地观察和控制周围的一切。

从更贴近实用的角度来说,物联网也已经出现在工业环境中,其表现形式是排列成庞大网状网络的无线传感器阵列。这类无线传感器网络用在世界各地的工厂、工业场所以及车辆和机械系统中,以监视关键参数,提高安全性和可靠性,并及时维护设备。无论这类无线设备打算用于何种用途,都面临一个共同的问题:怎样获得电源?

显然,有很多方法可以考虑。无线监视器应该很小且不显眼,应该需要最低限度的维护。专家们建议,在明天的物联网世界中,很多这类设备将通过优化的能量收集器自助供电,能量收集器可以提供无穷无尽的电源。尽管这种前景听起来很理想,而且在提高能量收集的实用性方面也取得了相当大的进步,但是今天的解决方案在尺寸和性能方面常常不尽人意,而且总是会需要电源但却没有可收集能量可用的情况存在。幸运的是,存在为长寿命、低平均功耗应用而优化的电池技术,例如适用于物联网领域的那些电池技术。

锂亚硫酰氯:理想的无线传感器能源

物联网应用往往有类似的功率和能量要求。远程监视器的平均功率通常都非常低,偶尔需要以突发模式测量及广播数据。因此对这类应用而言,电池是否理想应该看能量密度而不是功率密度。此外,应该最大限度减少电池自放电,以实现最长工作时间,并减少更换电池所需的宕机和维护之高昂费用。对这类应用而言,一种出色的电池技术是锂亚硫酰氯 (Li-SOCL2)。这种电池化学组成的自放电速度极低 (几家供应商称其电池的存放寿命超过 20 年)、能量密度很高并提供相对较高的 3.6V 典型工作电压。很多供应商都提供大量不同形状、尺寸和容量的锂亚硫酰氯电池。不过,与大多数高度专业化的技术一样,实现实用性的同时也伴随着其他的一些折衷。

使用长寿命电池的挑战

在设计应用电路时,要实现 Li-SOCL2 电池的寿命 (容量) 优势需要特别谨慎。如在图 1 中可以看到的那样,锂亚硫酰氯电池具有非常高的输出阻抗。可实现极低自放电和于货架长寿命的化学反应 (钝化形成) 具有限制可用输出电流的不良影响。即使当钝化层由于电池周期性荷载而已经消散,但对于给定的安培-小时容量额定值,可以提供的峰值电流相比之下低于其他的电池化学组成。就锂亚硫酰氯电池而言,大的吸收电流不仅导致工作电压下降,而且还造成电池容量减少。以一个 100mA DC 负载来运作图 1 中的电池将产生 9 安培-小时的容量,这大大低于支持一个 4mA 负载时出现的 19 安培-小时峰值。于是,需要短暂大峰值电流的应用必须使用与电池相并联的电容存储器 (以处理周期性的短时功率脉冲) 和峰值负载期间某些形式的电池电流限制 (旨在最大限度地增加可用容量)。

 

        图 1:锂亚硫酰氯电池的电压和容量随温度和电流的变化 (数据来源:Tariran 公司)图 1:锂亚硫酰氯电池的电压和容量随温度和电流的变化 (数据来源:Tariran 公司)

1:锂亚硫酰氯电池的电压和容量随温度和电流的变化 (数据来源:Tariran 公司)

如果需要一个 DC/DC 转换器为下游传感器和通信电路保持稳定的电源电压,那么电池电流管理问题会更加复杂。为低功率应用而优化的 DC/DC 转换器一般以突发模式 (Burst Mode®) 工作,转换器保持在 SLEEP (睡眠) 状态,直到输出降至低于稳定点为止,然后向输出提供持续时间很短的电流突发,直至输出稳定为止。正如之前所讨论的那样,对于锂亚硫酰氯以及其他主要电池化学组成而言,这类突发电流都是问题,会导致系统工作寿命缩短。理想的 IoT 电源解决方案将长寿命电池与在设计中具有有利于电池的电流管理系统之 DC/DC 转换器组合起来。

具可编程峰值输入电流的毫微功率 DC/DC 转换器

LTC3335 (参见图 2) 这款新产品在设计时充分严格地考虑了上述需求。该器件是一款降压-升压型 DC/DC 转换器,从 1.8V 至 5.5V 非稳压输入电压产生固定和引脚可编程的 1.8V 至 5V 稳定输出电压。该器件可与多种主电池电源一起使用,以调节输出电压,使其高于、低于或等于输入电压。

 

图 2:具可编程峰值电流 ILIM 的 LTC3335 毫微功率降压-升压型 DC/DC 转换器

 

2:具可编程峰值电流 ILIM LTC3335 毫微功率降压-升压型 DC/DC 转换器

LTC3335 是一款独特的降压-升压型转换器,仅需要 680nA 输入静态电流,就可保持稳定的输出。此外,该器件提供 8 个可编程峰值输入电流设置,从低至 5mA 直至高达 250mA,以无需任何外部限流,就可满足包括锂亚硫酰氯电池在内的多种主电池的输入电流限制。

LTC3335 的 DC/DC 工作过程相对简单 (参见图 2 和图 3)。如果输出电压高于稳定点,该器件就进入 SLEEP 模式,仅输出监视电路工作。一旦负载强制输出电压降至低于其稳定点,该 DC/DC 转换器就启动,通过一个 4 开关单片全桥式转换器,从输入向输出传送功率。一旦 DC/DC 转换器启动,开关 A 和 C 就接通,从而允许电池电流流经引脚 SW1 和 SW2 之间连接的外部电感器。一旦达到可编程峰值电流 (IPEAK),开关 A 和 C 就断开,同时开关 B 和 D 接通,从而允许电感器中流过的电流给连至 PVOUT 引脚的输出电容器充电。电流继续流过开关 B 和 D,直至达到零为止。如果这时输出高于稳定点,那么该器件就返回 SLEEP 模式,直到输出降至超出稳定范围为止。否则,另一个 AC/BD 开关周期开始。凭借如此低的静态电流和同步工作,LTC3335 在负载电流低至 10µA 时实现了高于 80% 的电源转换效率,对多种无线传感器而言,10µA 是常见的平均负载电流。此外,峰值输入电流可以降至支持平均功耗所需的最低值,从而最大限度延长了电池寿命并提高了电池容量。

 

图 3:LTC3335 DC/DC 转换器方框图

 

3LTC3335 DC/DC 转换器方框图

其他挑战:估计剩余电池电量

尽管为最大限度降低负载电流和最大限度延长电池寿命而进行了各种努力,但是应用最终依然受到地域限制,到了某一时刻仍然需要更换。在低成本便携式设备中,监视电池放电状态和估计剩余电池电量的任务也许优先级较低。电池寿命长于产品的使用寿命,或必需离线更换电池的后果是极小的。然而,对于工厂自动化系统或轨道车辆安全监视器中的关键性传感器来说,意外的停机时间 (用于更换失效电池) 则意味着某种不可接受的费用。

尽管对于很多主电池而言,预测剩余电池电量常常是个困难的任务,但是对于锂亚硫酰氯电池而言,则尤其具有挑战性。如图 4 中的放电曲线所示,典型锂亚硫酰氯电池的开路电压保持固定在几乎恒定的电压上,直至电池中几乎没有剩余电量为止。这时,电池电压突然下降。因此,在电池电量非常接近零以前,电池电压监视提供的有用信息极少。此外,开路电压和电池阻抗都对温度有很强的依赖性,因此即使测量这类参数可提供充分的警报以避免意外宕机,但是如果不进行额外的监视,那么检测放电曲线的拐点和温度或负载变化之间的差异也是不可能的,而额外监视要消耗功率,这是不希望的。

 

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4:锂亚硫酰氯电池电压随输出电流的变化 (数据来源:Tadiran公司)

解决方案:零”  静态电流库伦计数器

最为简单和直接的电池用量监视方法是清点电池释放的库仑数。传统的方法需要对电池电流进行连续监视和积分,即使在无负载条件下这也将消耗大量的功率。不过,LTC3335 的电源转换架构在每次 DC/DC 转换器需要提升输出以进入调节状态时,可准确地对从电池传递至负载的电荷量进行自我监测。主要的差异是:在 DC/DC SLEEP 模式时,库仑计数器消耗零电流。

无论何时,只要 DC/DC 转换器启动,那么仅当开关 A 和 C 接通时,才有电流从电池流出。开关 A 和 C 一直有电流流过,直至达到 IPEAK 为止,然后开关 B 和 D 接通,电感器电流在斜坡下降至零的同时,将电荷传递给输出电容器。一旦检测到零电流点,就重复下一个周期,直至 VOUT 进入稳定状态为止。如果电感器选择恰当,那么每次开关 A 和 C 接通时,从电池流出的电流都会从零开始线性地斜坡上升,直至达到设定的峰值电流值为止,如图 5 所示。

 

图 5:在开关 A 和 C 接通时测得的电池放电曲线

 

5:在开关 A C 接通时测得的电池放电曲线

在给定 AC ON 周期,达到 IPEAK 所需时间主要是电池电压、电感器值和 IPEAK 设定值的函数。在给定 IPEAK 设定值的情况下,通过测量达到 IPEAK 所需的时间,就可用以下公式确定在每个 AC ON 周期中所传送的库伦量:        

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LTC3335 包含一个内部定时电路,每次开关 A 和 C 接通时,该电路都周期性地测量 AC ON 时间,并输出一个按选定 IPEAK 设定值定标的准确库伦数。内部加法器和纹波计数器计算出开关 A 和 C 接通的总次数,并将这个次数乘以每次 AC ON 的定标库伦数 qAC(ON)。用户可通过一个 I2C 端口存取计数器链的 8 个最高有效位 MSB (Most Significant Bit),这 8 个 MSB 代表从电池传送到负载的总库伦数。标度因子可通过 I2C 选择,以适合尺寸和 IPEAK 设定值不同的电池,还可以选择报警值,以提示系统每个传感器的电量消耗。既然当 DC/DC 转换器处于 SLEEP 模式时,LTC3335 的内部库伦计数器仅必须保持其逻辑状态,那么监视电池放电所增加的静态电流就真正接近于零了。

误差源以及怎样降低误差

正像使用大多数解决方案时的情形一样,这里也存在折衷和误差源。如图 6 所示的 LTC3335 库伦计数器监视和 “测量” DC/DC 转换器输出端消耗的电荷。这其中包括 100% 的负载电流以及由 VOUT 供电的内部开关驱动器电流的一部分。然而,处于 SLEEP 模式时的静态电流以及用来驱动开关并在传送电荷时使 DC/DC 控制电路保持工作的 VIN 电流并未测量,这是一个误差源。总之,该器件报告的放电库伦数会稍微少一些。在峰值电流高于 50mA 左右时,这些误差相当小 (低于 5%),但是在最低峰值电流设定值时,这些误差有可能很大 (大于实际放电库伦数的 20%)。幸运的是,在一组给定应用条件下,主要的误差源是由该 IC 的特性导致的,而这些特性得到了相对良好的控制,是可预测的,这就允许使用软件校正误差,从而将所报告的库伦数误差减小至一位百分数,甚至在最低峰值电流设定值时也是如此。在数据表中公布的典型曲线可用来在系统软件级补偿这些误差。

 

图 6:LTC3335“零”电流库伦计数器依靠 DC/DC 架构

6LTC3335零”电流库伦计数器依靠 DC/DC 架构

最佳无线传感器电源

长工作寿命和可靠工作对任何无线应用而言都是值得实现的目标。在很多可用电源中选择使用哪一个时,需要做出与解决方案尺寸、工作寿命、峰值功率要求等有关的权衡。为提高安全性、安防能力或工业系统性能,越来越多的应用采用了无线传感器,因此极需满足优化功耗和实现更长工作寿命的要求。网络可靠性也变得更加重要了。可靠性要求不仅包括可靠地产生数据并通过网络传送,还包括避免由于功耗而导致意外宕机。LTC3335 等最新 DC/DC 转换器专门用来满足这类系统的功率需求,并在使用各种尺寸和化学组成的电池时,用来优化能量利用率。不过,仅 LTC3335 能够准确地计算从电池传送到负载的总库伦量,而且在这个过程中不会耗费电池电量。这种无需付出就有收获的情况是难得一遇的。