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Other Parts Discussed in Post: TPS61094

리튬염화티오닐(LiSOCI2) 배터리는 리튬이산화망간(LiMnO2) 같은 배터리 화학 물질보다 더 높은 에너지 밀도와 우수한 와트당 비용 비율을 제공하기 때문에 스마트 유량계에서 수요가 높다. 리튬염화티오닐(LiSOCI2)  배터리의 한 가지 단점은 피크 부하에 대한 반응이 좋지 않고 이로 인해 가용 배터리 용량이 감소할 수 있다. 따라서 본 기고문에서는 배터리 수명을 연장하는 데 도움이 될 수 있도록 몇백 밀리암페어의 범위에서 피크 부하를 배터리로부터 분리시키는 효과적인 방법에 대해 살펴볼 예정이다.

가용 배터리 용량 극대화는 시스템 설계에서 다음 사항을 지원할 수 있기 때문에 중요하다.

  • 동일한 배터리에서 더 많은 계량기 판독 및 데이터 전송
  • 동일한 배터리에서 배터리 수명 연장
  • 더 작은 크기의 배터리로 동일한 사용 수명 제공

전반적으로 살펴보았을 때, 단일 유량계 설계를 더 많은 종류의 유량계 전체에 걸쳐 재사용할 수 있게 함으로써 배터리 크기와 유지보수 비용은 물론 개발 비용을 최소화하는 효과를 얻을 수 있다.


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TPS61094 벅/부스터 컨버터로 슈퍼커패시터 충전 기능을

통합하는 동시에 초저 IQ를 유지하는 작동 영상을 확인하세요.

설계 과제: 배터리 수명 연장

계량기 설계는 밸브 제어, 데이터 기록, 데이터 전송과 같은 기능을 지원하는 한편 15년 이상의 긴 작동 시간을 유지해야 성공적으로 설계했다고 할 수 있다. 배터리 수명 연장은 계량기의 작동 시간을 늘리는 효과적인 방법이다. 그러나 전력 버퍼 없이 배터리를 부하에 직접 연결할 경우 계량기의 복잡한 부하 프로파일로 인해 배터리의 수명 성능이 저하될 수 있다.

표준 계량기의 부하 소비 프로파일은 전류량에 따라 대기 모드, 중간 단계 모드, 활성 모드로 나눌 수 있으며 각 모드는 배터리 수명에 다른 영향을 미친다.

  • 대기 모드는 5µA~100µA의 전류를 소비한다. 주로 계측, 마이크로컨트롤러, 보호 회로의 정동작 전류(IQ)다. 절댓값은 매우 작지만 보통 계량기 수명에 대한 주요 기여요인이다. 대기 모드에서는 연결된 모든 DC/DC 컨버터의 IQ가 나노암페어 범위에 있어야 하며, 효율성을 개선하려면 전력 버퍼의 누설이 적어야 한다.
  • 중간 단계 모드는 2mA~10mA의 전류를 소비한다. 일반적으로 RX 단계의 아날로그 프론트 엔드가 이 부하의 원인이 된다. 이 모드에서는 에너지 손실을 최소화하기 위해 전력 버퍼의 효율성이 중요하다.
  • 활성 모드는 가장 많은 전류를 소비하며 활성 모드에서는 TX 단계의 구동 밸브와 아날로그 프론트 엔드에서 부하가 발생하며, 보통 20mA에서 수백 암페어의 전류가 필요하다. 이 전류를 리튬염화티오닐(LiSOCI2) 배터리에서 직접 끌어오면 용량이 심각하게 줄어든다.

표1은 다양한 부하 및 온도 조건에서 Saft LS33600 배터리의 용량 경감과 17Ah의 공칭 용량을 비교한 자료이다. +20°C의 작동 온도에서는 200mA 부하 전류가 42%의 용량 저하라는 결과를 초래하기에 배터리에서 직접적으로 부하를 공급해서는 안된다. 저누설 전원 버퍼를 이용하면 피크 전류를 10mA 미만으로 제한할 수 있다.

Capacity (Ah)

–40°C

20°C

+20°C

10 mA

41.2%

17.6%

No derating

100 mA

82.35%

58.8%

23.5%

200 mA

N/A

N/A

42.0%

표1: Saft 배터리의 LS33600에 대한 용량과 전류의 특성 비교

TI의 벅/부스트 컨버터인 TPS61094는 대기 모드, 중간 단계 모드, 활성 모드에서 훌륭한 효율을 유지하는 동시에 배터리 수명을 연장하는 데 도움이 되며 다음과 같은 이점을 가진다.

  • 넓은 부하 범위에서 초고효율 실현: TPS61094는 VOUT = 3.3V 및 VIN >1.5V의 조건에서 5 µA~250mA의 부하에서 평균 90% 넘는 효율을 제공한다. 따라서 대부분의 유량계 사용 사례에서 효율적인 전력 공급이 가능하다.
  • 배터리에서 유입되는 피크 전류 제한: TPS61094는 슈퍼커패시터를 충전하는 경우에는 벅-온 모드일 때, 또 배터리로 VOUT에서 고부하를 공급 중인 경우에는 보충 모드에서 피크 입력 전류를 제한할 수 있다. 그림 1은 TPS61094의 구성을 나타내고, 그림 2는 VOUT에서 200mA 및 2초의 부하 펄스가 있을 때 배터리의 피크 전류를 보여준다. 부하가 높은 1단계에서는 피크 전류가 7mA로 제한된다. 2단계에서는 부하 개방 후 장치가 슈퍼커패시터를 10mA의 정전류로 충전한다. 충전 시 슈퍼커패시터 전압이 0V로 돌아가면 디바이스는 충전을 멈추지만 여전히 벅-온 모드를 유지한다.

그림 1: TPS61094의 구성

그림 2: 고부하에서 배터리 피크 전류의 오실로스코프 결과

온도 범위 내에서 슈퍼커패시터의 사용 가능한 에너지 양은 변하지 않는다. 일반적으로, 하이브리드 레이어 커패시터(HLC) 또는 전기 이중층 커패시터(EDLC)를 전력 버퍼로 사용하면 펄스 부하 기능이 향상된다. 하지만 이러한 수동 소자에 저장된 에너지는 배터리 전압에 따라 달라진다. 온도가 감소하면 배터리 전압도 내려가며, 이로 인해 HLC 또는 EDLC의 펄스 부하 기능은 저하되고 배터리의 공급 전류는 증가한다. TPS61094는 온도와 관계없이 슈퍼커패시터의 전압을 안정적으로 유지하여 이 문제를 해소한다.

슈퍼커패시터의 사용 가능한 에너지는 슈퍼커패시터의 용량, 슈퍼커패시터에서 설정된 최대 전압, TPS61094의 저전압 차단(UVLO-Undervoltage Lockout)으로 정의된다. 슈퍼커패시터가 보유한 사용 가능 에너지가 많을수록 연속적인 고부하의 작동 시간이 길어진다.

그림 3은 각각 TPS61094 또는 오직 슈퍼커패시터만을 사용한 전력 버퍼 솔루션을 보여준다. TPS61094 솔루션의 경우, 슈퍼커패시터 전압이 2V로 설정된다. 연속 부하를 공급하면 TPS61094는 슈퍼커패시터에서 0.6V까지 전력을 끌어낼 수 있다. 따라서 다음의 등식 1에서 슈퍼커패시터의 사용 가능한 에너지를 계산할 수 있다.

등식 1

여기서 ŋ는 컨버터의 평균 효율이다.

온도가 40°C인 최악의 상황에서도 TPS61094는 입력 전압이 2V~0.6V인 경우 150mA 에서 평균 92%의 효율을 제공한다. 다음의 등식 2는 계산한 결과를 보여준다.

 

등식 2

그림 3: TPS61094 HLC/EDLC 구성의 비교

HLC 또는 EDLC 솔루션의 경우, 사용 가능한 에너지는 배터리 전압에 따라 변한다.

–40°C에서 전류가 10mA인 경우, LS33600 전압은 3V로 줄어든다. 다음의 등식 3은 사용 가능한 에너지를 계산한 것이다.

등식 3

등식 2와 등식 3의 결과를 비교해 보면 TPS61094 솔루션은 사용 가능 에너지가 HLC 및 EDLC 솔루션의 2배에 달한다. 다시 말해, 더 많은 에너지를 부하에 공급할 수 있으며 극한 조건 하의 배터리에서 유입되는 피크 전류가 낮아진다는 뜻이다. 예를 들어 3.3V에서 200mA의 부하로 밸브를 구동할 경우, HLC 또는 EDLC 솔루션은 2.8초 동안 부하를 지원할 수 있다. 전력 버퍼가 모든 부하를 공급한다고 가정하면 슈퍼커패시터 기능이 통합된 TPS61094 벅/부스터 컨버터는 부하를 최대 7.8초 동안 지원할 수 있다. 

결론

유량계의 복잡한 부하 소비 프로파일에는 리튬염화티오닐(LiSOCI2) 배터리 수명을 연장하기 위한 전력 버퍼를 필요로 한다. 폭넓은 작동 조건에서 훌륭한 효율을 제공하는 TPS61094는 수명 연장에 대한 해결과제를 위한 좋은 선택지이다. 이 벅/부스터 컨버터는 배터리에서 유입되는 피크 전류를 제한함으로써 용량을 극대화하고 슈퍼커패시터의 가용 에너지를 높이므로, 시스템이 낮은 온도 조건에서 HLC 또는 EDLC보다 오래 작동할 수 있다.

추가 리소스

원하오 우 (Wenhao Wu), TI 애플리케이션 엔지니어

(원문보기)

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