Systemy dla Internetu Rzeczy (61). Skuteczne sposoby zasilania awaryjnego urządzeń Internetu Rzeczy z zastosowaniem superkondensatorów

Coraz więcej układów scalonych pozwala na efektywne zastosowanie superkondensatorów. W poprzednim artykule „Superkondensator z przetwornicą dwukierunkową Continua MAX38889” zostały omówione cechy i parametry superkondensatorów [S57]. Zostało też pokazane zastosowanie układu MAX38889 firmy Maxim (obecnie oddział firmy Analog Devices), regulatora napięcia do systemów zasilania awaryjnego z superkondensatorami. Układ jest zaprojektowany do wydajnego przenoszenia mocy między elementem magazynującym a szyną zasilającą systemu. Zapewniając dwukierunkowy transfer mocy przy użyciu jednej cewki indukcyjnej, układ scalony eliminuje potrzebę osobnego dodatkowego konwertera mocy.

Zastosowanie pojedynczego superkondensatora (o wysokim napięciu pracy) w systemie pozyskiwania energii solarnej z układem BQ25570 firmy Texas Instruments zastało opisane w poprzednim artykule „Pozyskiwanie energii słonecznej – układ BQ25570” [S51]. W artykule „Zestaw ewaluacyjny EVK10330 firmy E-peas pozyskiwania energii słonecznej” został omówiony układ pozyskiwania energii słonecznej AEM10330 firmy E-peas [S55]. Układ zawiera balanser zapewniający wyrównanie napięcia na dwóch szeregowo połączonych niskonapięciowych (tanich) superkondensatorach.

TPS61094 – synchroniczny dwukierunkowy konwerter buck/boost

Firma Texas Instruments oferuje układ TPS61094 – synchroniczny dwukierunkowy konwerter buck/boost o prądzie spoczynkowym 60 nA. TPS61094 może pracować z szerokim napięciem wejściowym od 0,7 V do 5,5 V oraz napięciem wyjściowym od 2,7 V do 5,4 V. Układ zapewnia rozwiązanie o bardzo niskim poborze mocy zoptymalizowane do zastosowań wymagających bardzo niskiego prądu spoczynkowego. Jako źródło zasilania awaryjnego używany jest superkondensator. Przykład zastosowania układu TPS61094 został pokazany na rysunku tytułowym [5]. Krótkie wideo pokazujące pracę zestawu uruchomieniowego z tym układem jest dostępne tu: [7].
Parametry układu TPS61094 są następujące:

• napięcie wejściowe na wejściu VIN: 0,7...5,5 V;
• poziom napięcia włączenia na wejściu VIN: VIN_UVLO 1,7 V;
• ustawienia napięcia wyjściowego VOUT_REG (Boost) na wyjściu VOUT: 2,7/3,0/3,3/3,4/3,45/3,5/3,6/3,7/3,8/4,0/4,2/4,5/4,8/5,0/5,2/5,4 V;
• poziom napięcia włączenia/wyłączenia na wyjściu VOUT:
• VOUT_UVLO 1,7/1,6 V;
• napięcie końcowe ładowania superkondensatora VCHG_REG (Buck): 1,7/2,0/2,2/2,5/2,6/2,7/3,6/3,65/3,7/4,1/4,15/4,2/4,9/5,0/5,1/5,4 V;
• poziom napięcia włączenia/wyłączenia na wyprowadzeniu SUP: VSUP_UVLO 0,85/0,6 V;
• ustawienia prądu ładowania ICHG_SET (na wyprowadzeniu SUP): 0/2,5/5/10/25/50/75/100/150/200/250/300/350/400/500/600 mA;
• prąd wyjściowy: do 300 mA;
• prąd zakończenia ładowania (ICHG ≥ 10 mA/< 10 mA): ICHG_TERM 10/2,5 mA;
• prąd IQ: tryb Forced bypass 2 nA; tryb Buck/Boost 60 nA; tryb True shutdown 100nA;
• rezystancja klucza bypass FET (5,0/3,6 V): 120/150 mΩ;
• częstotliwość pracy: 1 MHz;
• wydajność (VIN = 3 V, VOUT = 3,6 V, IOUT = 10 μA): do 92,3%;
• wydajność (VIN = 3 V, VOUT = 3,6 V, IOUT = 100 mA): do 96,3%;
• tryb drzemki (Snooze) przy bardzo niskim obciążeniu;
• obudowa 2×3 mm WSON12.

Przy projektowaniu systemów z zasilaniem bateryjnym często wspólnym wyzwaniem projektowym jest konieczność osiągnięcia wysokiej wydajności w warunkach bez obciążenia lub przy małym obciążeniu, w zakresie niewielu mikro- lub miliamperów. Wymaga to od zasilaczy regulowania mocy wyjściowej przy zachowaniu bardzo niskiego prądu upływu w zakresie nanoamperów. TPS61094 łączy w sobie dwie kluczowe zalety, które wcześniej były kompromisami, prostotę konstrukcji przy użyciu zintegrowanego konwertera buck/boost oraz wydłużony czas pracy baterii dzięki wysokiemu prądowi wyjściowemu i niskiemu prądowi IQ.

Duży prąd wyjściowy umożliwia układowi TPS61094 obsługę standardów radiowych – takich jak wąskopasmowy Internet rzeczy (NB-IoT), LTE-M, Wi-SUN, MIOTY, Bluetooth i bezprzewodowy M-Bus) – w szerszym zakresie napięcia wejściowego.

Układ TPS61094 używa jednego dławika (dołączonego do wyprowadzenia SW) oraz dwóch kluczy FET i może pracować w konfiguracji przetwornicy podwyższającej lub obniżającej. Napięcie wejściowe jest podawane na wejście VIN, obciążenie dołączane jest do wyjścia VOUT a superkondensator jest dołączany do wyprowadzenia SUP.

Układ ma też klucz bypass FET między wejściem a wyjściem, który może działać jak regulator LDO. Wejścia cyfrowe EN i MODE służą do ustawiania trybu pracy. Oba wejścia mają aktywny rezystor ściągający 800 kΩ do masy. Gdy wejścia EN i MODE mają wysoki stan logiczny, na wejściach ustawiana jest wysoka impedancja, aby nie wystąpiły wysokie prądu upływu. Gdy wejścia są w stanie logicznym niskim lub nie są podłączone, włączany jest rezystor ściągający 800 kΩ. TI zaleca, aby podczas włączania TPS61094 wydajność prądowa podciągania była większa niż rezystora ściągającego 800 kΩ.

Podłączenie rezystorów między wyprowadzeniami VCHG, ICHG lub OSEL układu TPS61094 a masą definiuje szesnaście opcji ustawień wewnętrznych dla: napięcia zakończenia ładowania (VCHG), prądu ładowania (ICHG) i napięcia wyjściowego (OSEL). Do prawidłowego działania układu dokładność rezystancji musi wynosić 1%. Podczas uruchamiania układu, gdy napięcie wyjściowe zbliża się do napięcia wejściowego, układ zaczyna wykrywać warunki konfiguracji wyprowadzeń VCHG, ICHG i OSEL (w tej kolejności). Po wykryciu konfiguracji układ blokuje ustawienia. TPS61094 podczas pracy nie wykrywa wyprowadzeń VCHG, ICHG i OSEL, więc zmiana rezystora podczas pracy nie zmienia ustawień. Przełączanie wejścia EN podczas pracy jest jednym ze sposobów na odświeżenie ustawień.

Rysunek 1. Konfiguracja układu TPS61094 z superkondensatorem do pracy w trybie Automatic Buck or Boost [2]

Przykład skonfigurowania układu TPS61094 z superkondensatorem do pracy w trybie Automatic Buck or Boost został pokazany na rysunku 1 [2]. Napięcie na wyjściu VOUT jest ustawiane przez rezystor między wyprowadzeniem OSEL a masą (ustawienia VOUT). Typowa wartość dla VOUT_REG = 3,3 V wynosi R1 = 4,75 kΩ (rozwarcie 5,4 V). Napięcie zakończenia ładowania VCHG_REG jest ustawiane przez rezystor między wyprowadzeniem VCHG a masą. Typowa wartość dla VCHG_REG = 2,6 V wynosi R3 = 9,53 kΩ (rozwarcie 5,4 V). Prąd ładowania ICHG_SET jest ustawiany przez rezystor między wyprowadzeniem ICHG a masą. Typowa wartość dla ICHG_REG = 100 mA wynosi R2 = 22,1 kΩ (zwarcie 0 mA, rozwarcie 600 mA). Dla prądu obciążenia 250 mA tętnienia napięcia wyjściowego wynoszą ± 50 mV.

Tryby pracy układu TPS61094

Układ TPS61094 posiada cztery tryby pracy:

• Auto buck or boost (EN = 1; MODE = 1)

W trybie Auto buck or Boost, TPS61094 może automatycznie przechodzić między trybem ładowania Buck i trybem Boost w zależności od napięcia wejściowego. Gdy napięcie wejściowe jest niższe niż ustawione napięcie regulacji doładowania, TPS61094 generuje napięcie VOUT pobierając energię z superkondensatora (SUP). Gdy napięcie wejściowe jest o 0,1 V wyższe niż ustawione napięcie regulacji doładowania, napięcie wyjściowe TPS61094 jest równe napięciu wejściowemu . Jednocześnie TPS61094 ładuje superkondensator w trybie Buck. Przetwornica układu TPS61094 w trybie Boost ma trzy tryby pracy: PWM w warunkach średniego do dużego obciążenia, modulacja częstotliwości impulsów (PFM) w warunkach lekkiego obciążenia i tryb drzemki (Snooze) przy bardzo niskim obciążeniu.

• Forced buck (EN = 1; MODE = 0)

Gdy TPS61094 działa w trybie Forced buck, układ łączy wyjście układu bezpośrednio z wejściem, podczas gdy konwerter buck ładuje superkondensator stałym prądem (o ustawionej wartości). Gdy superkondensator jest naładowany do wstępnie ustawionego napięcia końcowego, konwerter buck zatrzymuje ładowanie. Gdy napięcie na superkondensatorze spadnie o 75 mV poniżej ustawionego napięcia, konwerter buck zaczyna ponownie ładować superkondensator.

• Forced bypass (EN = 0; MODE = 0)

W trybie Forced Bypass TPS61094 włącza tranzystor bypass FET, dzięki czemu napięcie wyjściowe jest równe napięciu wejściowemu. W tym trybie TPS61094 ma IQ 4 nA.

• True shutdown (EN = 0; MODE = 1)

W trybie True shutdown TPS61094 może odłączyć obciążenie od wejścia i wyprowadzenia SUP.

Zestawienie trybów pracy układu TPS61094 jest pokazane w tabeli 1. Jednak działanie układu jest bardziej skomplikowane. Dla trybu Auto buck or boost występują trzy stany i dodatkowy tryb Pass-through (opis dalej). Gdy napięcie na wejściu VIN przekracza próg narastania blokady podnapięciowej (UVLO) (zwykle 1,7 V) oraz EN =H, to układ TPS61094 jest włączony i zaczyna zwiększać napięcie wyjściowe.

Opis

W trybie Auto boost, gdy napięcie wyjściowe jest niższe niż 0,5 V, układ rozpoczyna ładowanie kondensatora dołączonego do wyjścia VOUT prądem do 300 mA przez klucz bypass FET. Gdy napięcie wyjściowe jest powyżej 0,5 V, prąd wyjściowy jest zmieniany tak, aby miał zdolność prądową do zasilania obciążenia rezystancyjnego 3,6 Ω.

Tak pracuje, aż napięcie wyjściowe osiągnie wartość zbliżoną do napięcia wejściowego. Wtedy TPS61094 zaczyna wykrywać warunki konfiguracji wejść VCHG, ICHG i OSEL, a następnie blokuje konfigurację i przechodzi w odpowiedni tryb pracy.

Gdy napięcie wejściowe jest niższe niż ustawione napięcie wyjściowe, TPS61094 przechodzi do miękkiego startu w trybie Boost. Zaczyna działać przetwornica, a napięcie wyjściowe rośnie. Czas miękkiego startu w trybie Boost różni się w zależności od pojemności wyjściowej, stanu obciążenia i warunków konfiguracji. Gdy napięcie wejściowe jest wyższe o 100 mV niż ustawienie napięcia wyjściowego, TPS61094 przechodzi do miękkiego startu w trybie Buck. Prąd ładowania może powoli wzrastać.

Rozpoczęcie trybu Forced buck jest podobne do trybu Buck w trybie Auto boost, z wyjątkiem tego, że TPS61094 przechodzi w tryb Buck po tym, jak napięcie wyjściowe jest zbliżone do napięcia wejściowego.

W trybie Forced bypass nie ma miękkiego startu. Klucz bypass FET jest zawsze włączony, a wyjście jest podłączone bezpośrednio do wejścia.

Gdy napięcie na wejściu EN jest niższe niż 0,2 V, a na wejściu MODE jest wyższe niż 0,58 V przy napięciu wyjściowym wyższym niż 1,8 V, wewnętrzny komparator zezwolenia przełącza urządzenie w tryb True shutdown. W tym trybie urządzenie jest całkowicie wyłączone. Wyjście VOUT jest odłączone od zasilania z wyprowadzeń VIN i SUP.
TPS61094 ma wbudowany obwód blokady podnapięciowej (UVLO), który zapewnia prawidłowe działanie urządzenia. Gdy napięcie na wejściu VIN jest powyżej progu narastania blokady podnapięciowej (UVLO) (zwykle 1,7 V), włączany jest TPS61094. Po uruchomieniu układu i napięciu wyjściowym powyżej 1,7 V, układ może pracować przy napięciu wyprowadzenia SUP tak niskim, jak 0,6 V i napięciu wejściowym do 0 V.

Gdy napięcie na wejściu VIN spada do 0 V, a napięcie na wyprowadzeniu SUP jest poniżej progu opadania blokady podnapięciowej (zwykle 0,6 V), TPS61094 przechodzi w tryb wyłączenia, aby uniknąć awarii. W tym stanie i w trybie automatycznego doładowania TPS61094 odłącza klucz bypass FET i klucz high-side, aby zapobiec prądowi wstecznemu z wyjścia VOUT do wejścia VIN i wyprowadzenia SW, gdy napięcie VOUT przekracza 1,6 V. Gdy napięcia na wejściu VIN i wyprowadzeniu SUP są poniżej 1,7 V (typowo), a napięcie na VOUT jest poniżej 1,6 V (typowo), TPS61094 przechodzi w tryb Shutdown.

Ładowanie superkondensatora

Typowa operacja ładowania (VCHG < VIN...800 mV) działa tak, jak pokazano na rysunku 2. W czasie t0 układ TPS61094 zaczyna ładować superkondensator poprzez wyprowadzenie SUP stałym prądem. Od t0 do t1, gdy napięcie SUP jest niższe niż VSUP_UVLO (zwykle 0,85 V), układ ładuje superkondensator poprzez SUP prądem stałym (ICHG_PRE), który jest mniejszy lub równy 250 mA. Od t1 do t2, gdy napięcie SUP osiągnie VSUP_UVLO, układ ładuje poprzez wyprowadzenie SUP prądem stałym (ICHG), który jest ustawiany przez rezystor na wyprowadzeniu ICHG. W czasie t2, napięcie SUP osiąga VCHG (napięcie zakończenia ładowania), a układ zmniejsza prąd ładowania do ICHG_TERM. Powoduje to zmniejszenie wpływu spadku napięcia na ESR superkondensatora spowodowanego przez prąd ładowania. Przetwornica przestaje pracować, gdy napięcie SUP osiągnie VCHG.

Rysunek 2. Typowa operacja ładowania superkondensatora [2]

Przetwornica TPS61094 rozpoczyna pracę, gdy napięcie SUP spada 75 mV poniżej wartości docelowej (VCHG). Jeśli VCHG > VIN...500 mV, TPS61094 zmniejszy prąd ładowania, gdy napięcie na SUP będzie bliskie VIN:

ICHG_PRE wynosi 250 mA (gdy ICHG jest równe lub większe niż 250 mA); wynosi ICHG_PRE to ICHG (gdy ICHG jest mniejsze niż 250 mA).

ICHG_TERM wynosi 10 mA (gdy ICHG jest równe lub większe niż 10 mA); ICHG_TERM wynosi 2,5 mA (gdy ICHG jest mniejsze niż 10 mA).

Stany w trybie Auto Buck or Boost

W trybie Auto Buck or Boost występują trzy stany:

• Boost_on. Stan ten występuje, gdy klucz bypass FET jest wyłączony, a TPS61094 pracuje w trybie Boost w celu regulacji napięcia wyjściowego zgodnie z ustawieniem OSEL (rysunek 3);

Rysunek 3. Praca TPS61094 w stanie Boost_on [2]

• Buck_on. Stan ten występuje, gdy klucz bypass FET jest włączony, a TPS61094 pracuje w trybie Buck, ładując superkondensator (dołączony do wyprowadzenia SUP) przez źródło wejściowe zgodnie z ustawieniami prądu ładowania ICHG i napięcia zakończenia na wyprowadzeniu VCHG, co jest podobne do działanie w trybie Forced buck (rysunek 4);

Rysunek 4. Praca TPS61094 w stanie Buck_on [2]

• Supplement. Stan ten jest stanem pośrednim, w którym TPS61094 przechodzi między działaniem w stanie boost_on i buck_on. W stanie Supplement, tryb Boost jest aktywny, a bypass FET działa jako LDO, źródło zasilania VIN i wyprowadzenie SUP razem zasilają obciążenie wyjściowe (rysunek 5).

Rysunek 5. Praca TPS61094 w stanie Supplement [2]

Gdy napięcie na wejściu VIN jest poniżej ustawionego napięcia regulacji doładowania VOUT, klucz bypass FET jest wyłączony (rysunek 6). TPS61094 działa w trybie Boost (pobiera energię z superkondensatora SUP) i reguluje napięcie wyjściowe na poziomie VOUT według ustawienia rezystora na wyprowadzeniu OSEL. Gdy napięcie na wejściu VIN jest o 0,1 V wyższe od napięcia regulacji doładowania VOUT_REG, działanie w trybie Boost zostaje zatrzymane i zostaje włączony klucz bypass FET. Aby przejście między trybem Boost a trybem Bypass było płynne, istnieje tryb Pass-through, gdy napięcie wejściowe Vin (VOUT_REG – 30 mV) jest bliskie docelowemu napięciu wyjściowemu VOUT, jak pokazano na rysunku 6. Prąd spoczynkowy w trybie Pass-through jest znacznie wyższy (100 nA) niż w trybie Boost or Bypass. W trybie Bypass napięcie wyjściowe Vout powtarza napięcie Vin z małym spadkiem na tranzystorze bypass FET (120/150 mΩ × prąd obciążenia). Przejście z trybu Bypass do trybu Boost następuje poprzez tryb Pass-through od napięcia VOUT_REG + 50 mV (histereza) do VOUT – 100 mV.

Rysunek 6. Działanie TPS61094 w stanie Supplement [2]

Praca układu TPS61094 w trybie Buck or Boost

Gdy zasilanie wejściowe jest włączone, TPS61094 przechodzi w stan Buck_on, który włącza klucz bocznikujący (tranzystor polowy boost FET), zasila superkondensator prądem do 500 mA i zatrzymuje ładowanie, gdy napięcie na superkondensatorze wynosi 2,5 V (rysunek 1). Napięcie wejściowe 5 V zasila wyjście VOUT bezpośrednio z wejścia VIN. Kiedy awaria zasilania spowoduje spadek napięcia wejściowego, TPS61094 automatycznie przechodzi w stan Boost_on, wyłącza klucz bypass FET i dostarcza na wyjście VOUT napięcie 3,3 V generowane z energii zmagazynowanej w superkondensatorze.

Rysunek 7. Pomiary cyklu zasilania TPS61094 [6]

Na rysunku 7 pokazano pomiary oscyloskopu dla pełnego cyklu zasilania awaryjnego dla układu z rysunku 1 [6]. VIN reprezentuje napięcie systemu z sieci zasilania. VOUT to napięcie wyjściowe z TPS61094, a VSUP to napięcie superkondensatora. IOUT pokazuje pobór prądu obciążenia. W tym przykładzie obciążenie wynosi 100 mA. Gdy moc zasilania systemowego nagle spada, TPS61094 natychmiast przechodzi w stan Boost_on i reguluje napięcie na wyjściu VOUT za pomocą mocy z superkondensatora. Konwerter buck/boost dostarcza wymagany prąd wyjściowy przez 254,5 s, co odpowiada wykonaniu 11,5 transakcji NB-IoT (typowe wartości mocy) [6]. TPS61094 rozładowuje superkondensator, aż jego napięcie spadnie do 0,7 V. W tym momencie układ przechodzi w tryb wyłączenia do czasu powrotu napięcia na wejściu VIN. Wtedy TPS61094 startuje w stanie Buck_on i bezproblemowo ładuje superkondensator stałym prądem przy jednoczesnym dostarczaniu prądu do obciążenia. Przełączanie między rozładowaniem superkondensatora a ładowaniem jest bardzo płynne.

Wspomaganie zasilania bateryjnego

Zasilane bateryjnie inteligentne przepływomierze muszą rejestrować informacje, takie jak zużycie gazu lub wody, i okresowo przesyłać te informacje do centrum danych, często przy użyciu NB-IoT [5]. Urządzenia IoT zasilane z sieci mogą wymagać zasilania rezerwowego, aby informować o swoim stanie podczas rzadkich przerw w zasilaniu systemu. W obu przypadkach dwukierunkowy konwerter buck/boost w połączeniu z superkondensatorem może dostarczyć prądy impulsowe o wysokim poziomie potrzebne do zakończenia transmisji danych.

Większość inteligentnych przepływomierzy, zaprojektowanych do działania przez 10 lub 20 lat, wykorzystuje baterię LiSOCl2 ponieważ charakteryzuje się ona wysokim napięciem wyjściowym (3,6 V) i może dobrze obsługiwać sterowanie zaworem elektromagnetycznym 3 V. Jednak baterie LiSOCl2 oferują ograniczoną zdolność do dostarczania impulsów prądowych, a wysokie prądy obciążenia znacznie obniżają ich pojemność. Na przykład bateria LiSOCl2 działająca w temperaturze 20°C przy prądzie obciążenia 200 mA obniża pojemność o 40% w porównaniu z tą samą baterią działającą przy prądzie obciążenia wynoszącym tylko 10 mA [5].

Jedną z metod zmniejszenia tej degradacji jest użycie superkondensatora (rysunek tytułowy) [5]. TPS61094 pracując w trybie Buck, może ładować superkondensator prądem ustawionym przez zewnętrzny rezystor (R3) do poziomu napięcia ustawionego przez drugi zewnętrzny rezystor (R2). Ograniczenie napięcia superkondensatora do 2 V minimalizuje prąd upływu superkondensatora (nawet do 18%) i wydłuża żywotność (nawet do 20 lat) [5]. Dodanie rezystora szeregowego (Rin) o wartości około 40 Ω między akumulatorem a wejściem VIN układu TPS61094 pomaga ograniczyć prąd rozładowania baterii podczas transmisji danych.

Na rysunku 8 pokazano przebiegi testowe dla obwodu z rysunku tytułowego sterującego nadajnikiem NB-IoT. Transmisja danych odbywa się w fazie 1, gdzie prąd obciążenia osiąga około 250 mA przez 250 ms. TPS61094 zapobiega spadkowi napięcia wyjściowego poniżej 3,3 V i ogranicza prąd baterii do około 5 lub 6 mA (w zależności od temperatury), zapewniając tym samym minimalną degradację pojemności baterii.

Rysunek 8. Praca układu z akumulatorem i TPS61094 z superkondensatorem [5]

W fazie 2 transmisja danych zostaje zatrzymana, a TPS61094 ładuje superkondensator prądem około 2,5 mA. Faza 3 rozpoczyna się, gdy napięcie na superkondensatorze osiąga próg 2 V i ładowanie zostaje zatrzymane. Faza 3 to stan czuwania, w którym system czeka na kolejną transmisję NB-IoT. Dokładny opis projektu jest zamieszczony w dokumencie firmowym [5].

Zestaw uruchomieniowy TPS61094EVM-066

Zestaw uruchomieniowy z układem scalonym TPS61094 umożliwia pracę układu we wszystkich czterech trybach [3]. Schemat zestawu jest zgodny z układem na rysunku 1. Do konfigurowania zestawu służą zworki (fotografia 1).

Fotografia 1. Zestaw uruchomieniowy TPS61094EVM-066 [4]

Piętnaście rezystorów dołączanych poprzez zworki do każdego z wyprowadzeń VCHG, ICHG lub OSEL pozwala na szybkie konfigurowanie parametrów: napięcia zakończenia ładowania LP3 (VCHG 1,7...5,4 V), prądu ładowania JP4 (ICHG 0...600 mA) i napięcia wyjściowego P5 (OSEL 2,7...5,4V). Także wejścia konfiguracyjne EN (J12) i MOD (J11) mogą być zworkami dołączane do masy lub napięcia wyższego (diody Schottky BAT54CT-7-F) z napięć występujących na wyprowadzeniach VIN i SUP. Zwory JP1 i JP2 umożliwiają dołączenie dławika L1 (2,2 μH):

• do wejścia VIN (zwarte 1-2) dla pracy w trybie Boost;
• do wyprowadzenia SUP (zwarte 2-3) dla pracy w trybie Auto Buck or Boost.

Do złączy wejściowych SUP+/SUP- dołączony jest na płytce kondensator elektrolityczny 4700 μF/6,3 V. Po skonfigurowaniu płytki do pracy w trybie Auto Buck or Boost jest on dołączony do wyprowadzenia SUP.

Praca z zestawem uruchomieniowym

Do badań został zastosowany superkondensator BUP002R8L606FC firmy BIGCAP [8]. Posiada on napięcie znamionowe 2,8 V, pojemność 60F, ESR DC 45 mΩ i prąd upływu (72h 25°C) <180 μA. Prąd upływu wykładniczo rośnie z napięciem na superkondensatorze.

Konfiguracja pracy układu scalonego TPS61094 w trybie Automatic Buck or Boost była taka sama jak pokazana na rysunku 1. Typowe ustawienia konfiguracyjne dla pracy w tym trybie: VOUT_REG 3,0 V, VCHG_REG 2,7 V, ICHG_SET 25 mA. Ładowanie i rozładowanie superkondensatora wykonywane było zgodnie z danymi katalogowym układu scalonego TPS61094. Przy pracy z małymi prądami obciążenia (5,26 i 7,7 mA) wystąpiły kłopoty z kształtem napięcia wyjściowego (VOUT). W sygnale wyjściowym podczas ładowania superkondensatora (Buck_on) występowały tętnienia typowo o kształcie impulsów o amplitudzie do 35 mVpp i częstotliwości od ok. 50 kHz do ok. kilku kHz.

Podczas podtrzymania napięcia wyjściowego (Boost_on) zmieniał się kształt tętnień na postać piły o amplitudzie do 38 mVpp i częstotliwości od kilku kHz do nawet 94 Hz.

Dodanie na wyjściu filtra LC (68 μH, 2×150 μF tant.) nie poprawiło znacząco sytuacji. Zwiększanie pojemności (do 2200 μF) nie powodowało wygładzania sygnału a tylko obniżanie częstotliwości tętnień.

Podczas przekazywania napięcia VIN na wyjście VOUT bez ładowania (tryb Supplement) w sygnale wyjściowym nie występowały tętnienia.

Następnie na wyjściu został zastosowany filtr BNX016-01 firmy Murata (plus 2×150 μF tant.) [9]. Filtr zapewnia tłumienie min. 40 dB dla 100 kHz. Dla tych zastosowań bardziej odpowiedni byłby filtr BNX029-01 z tłumieniem min. 35 dB dla 15 kHz. Podczas ładowania superkondensatora (Buck_on) nastąpiło znaczące zmniejszenie amplitudy tętnień w sygnale wyjściowym VOUT (do ok 9 mVpp) oraz znacząca poprawa sygnału uzyskiwanego na wyjściu filtra (rysunek 9). Pokazywane są: w kanale 1 szumy napięcia na wejściu VIN, w kanale 2 napięcie na superkondensatorze SUP, w kanale 3 szumy na wyjściu VOUT a w kanale 4 na wyjściu filtra.

Rysunek 9. Praca układu TPS61094 podczas ładowania superkondensatora (Buck_on)

Podczas podtrzymania napięcia wyjściowego (Boost_on) nastąpiło znaczące zmniejszenie amplitudy w sygnale wyjściowym VOUT (do ok. 25 mVpp) (rysunek 10). Na wyjściu filtra nastąpiło wygładzenie sygnału be znaczącego spadku amplitudy (ok. 22 mVpp). Również zwiększanie pojemności nie powodowało poprawy a tylko obniżanie częstotliwości tętnień. Zwiększenie prądu obciążenia powyżej ok. 13  A powodowało zniknięcie zakłóceń w sygnale wyjściowym. Przy zmniejszaniu tego prądu zaczynały się coraz częściej pojawiać pojedyncze szpilki. Sugeruje to modulację częstotliwości impulsów (PFM) w warunkach lekkiego obciążenia i tryb drzemki (Snooze) przy bardzo niskim obciążeniu. Pomiary były przeprowadzone z zastosowaniem oscyloskopu z pasmem ograniczonym do 20 MHz i z sondami pasywnymi 10:1 w zaszumionym otoczeniu (poziom ok. 6 mVpp).

Rysunek 10. Praca układu TPS61094 podczas podtrzymania napięcia wyjściowego (Boost_on)

Podsumowanie

Układ TPS61094 jest bardzo zintegrowanym, unikalnym rozwiązaniem problemu zasilania układów IoT. Jego podstawową zaletą jest możliwość pracy automatycznej oraz prosty sposób konfigurowania i zastosowania w systemie z dodatkową funkcją podtrzymania zasilania. Istotną zaletą układu jest bardzo niski prąd upływu IQ w trakcie pracy a jeszcze niższy w stanie Supplement (podtrzymania) i w trybie Snooze (drzemki). Kolejną zaletą jest efektywna obsługa niskonapięciowego (taniego) superkondensatora. Stosując TPS61094 można przedłużyć żywotność baterii układu IoT, ograniczając szczytowy prąd baterii i minimalizując degradację pojemności baterii. W przypadku urządzeń IoT zasilanych z sieci połączenie TPS61094 i superkondensatora może zapewnić zasilanie awaryjne podczas przerw w dostawie prądu.

Kolejny raz okazało się, że dopiero po wykonaniu praktycznych eksperymentów można dobrze zrozumieć opisy dokumentacji. Już sama nazwa firmowa układu TPS61094 „Bi-directional buck/boost converter with bypass mode” zestawiona z napięciem wejściowym Vin w zakresie 0,7...5,5 V, sugeruje bardzo dużo. W praktyce ogranicza się to tylko do automatycznego podtrzymania zasilania na ustawionym poziomie przez pewien czas. Za to ładowanie i podtrzymanie jest rzeczywiście wykonywane automatycznie. I można łatwo konfigurować parametry pracy superkondensatora. Próby pokazały jednak problemy z tętnieniami dla niskich wartości prądu obciążenia. Pewną wadą układu TPS61094 jest brak cyfrowego sygnału powiadamiającego o zaniku zasilania wejściowego i przejściu do pracy z podtrzymaniem.

Henryk A. Kowalski
Instytut Informatyki
Politechnika Warszawska