超大占空比的升壓變換器TLV61048

自工業(yè)4.0 被廣泛提出以來，工業(yè)領(lǐng)域的熱門關(guān)鍵詞就變成了“更智慧的整合感控系統(tǒng)”、“更高度的自動(dòng)化控制”，“更智能的生產(chǎn)故障主動(dòng)排除能力”。在工業(yè)4.0的大趨勢(shì)下，應(yīng)用于智能電表上的電力線載波通信(PLC)技術(shù)也在高速發(fā)展。國(guó)家電網(wǎng)新標(biāo)準(zhǔn)要求智能電表母線12V電壓在斷電后，需要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)上報(bào)必要的信息，為了滿足這個(gè)要求， PLC模組通常采用超級(jí)電容搭配升壓電路（Boost）的方案進(jìn)行能量存儲(chǔ)與斷電上報(bào)。

一個(gè)典型的PLC模組系統(tǒng)框圖如圖1 所示。除了主處理器外，整個(gè)系統(tǒng)主要由三部分組成：PLC線路驅(qū)動(dòng)器（TI THS6212）實(shí)現(xiàn)寬帶電力線信號(hào)驅(qū)動(dòng)，同步高效降壓變換器（TI TPS560430x）提供主處理器3.3V及升壓系統(tǒng)輔助供電，還有一顆是本文將重點(diǎn)討論的超大占空比的升壓變換器TLV61048。

圖 1 典型智能表系統(tǒng)框圖

在系統(tǒng)斷電后，THS6212 PLC線路驅(qū)動(dòng)器需要發(fā)射脈沖電流信號(hào)與集中器進(jìn)行通信。脈沖信號(hào)周期為1s，幅值為25mA的直流電流上疊加持續(xù)時(shí)間為5ms的175mA脈沖電流。脈沖信號(hào)所需能量全部由超級(jí)電容加升壓電路產(chǎn)生12V主電源軌提供。在此架構(gòu)下，系統(tǒng)的斷電維持時(shí)間主要受這兩部分影響: 1）超級(jí)電容總能量；2）升壓電路的最低工作電壓。由于超級(jí)電容的單價(jià)相對(duì)較貴，用戶都希望用盡量小容值的超級(jí)電容，本文將重點(diǎn)討論如何用性價(jià)比最高的升壓電路來榨干超級(jí)電容的能量，從而節(jié)省整個(gè)BOM成本。

升壓芯片的最大有效升壓比決定了超級(jí)電容的利用率，更大的升壓比能夠在更小輸入電壓時(shí)維持穩(wěn)定的12V輸出電壓并提供足夠的負(fù)載能力，從而延長(zhǎng)系統(tǒng)斷電維持時(shí)間。表1對(duì)比了不同容值的超級(jí)電容在相同初始電壓（2.5V）、不同終止電壓下(1.8V, 1.3V) 可以提供的總能量。

表 1 超級(jí)電容放電能量對(duì)比

從表1可以看出， 10F超級(jí)電容放電到1.8V電壓下可以提供15J的能量，但是如果能讓10F超級(jí)電容工作放電到1.3V則可以提供22.8J的能量。從另一個(gè)角度來看，7F超級(jí)電容放電到1.3V提供的能量 （16J），略大于10F超級(jí)電容放電到1.8V提供的能量（15J）。這意味著在滿足同等的備電工作時(shí)間 （15J 能量）的條件下，選擇合適的升壓芯片可以用7F的超級(jí)電容去取代10F的超級(jí)電容，節(jié)省成本約0.3 RMB。在價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)近乎白熱化的PLC載波模塊領(lǐng)域，0.3 RMB的BOM成本也是相當(dāng)可觀的。

現(xiàn)在我們只需要找一顆高效率并且輸入電壓能支持最低1.3V的升壓變換器來實(shí)現(xiàn)這個(gè)想法。TI最新推出的升壓變換器TLV61048采用了自適應(yīng)變頻控制方式，有效的提高了傳統(tǒng)定頻控制模式的最大占空比限制，完美解決了這個(gè)問題。

圖2展示了TLV61048在輸入為單節(jié)7F超級(jí)電容，負(fù)載為載波通信脈沖電流下的輸入輸出特性。綠色曲線是TLV61048輸出電流， 也是PLC的實(shí)際發(fā)射電流（ 25mA直流電流 + 175mA / 5ms脈沖電流）， 黃色曲線為TLV61048的輸出電壓， 藍(lán)色曲線為TLV61048的輸入電壓 (即超級(jí)電容電壓)?？梢钥吹?，在輸入電壓低至1.3V時(shí)候，TLV61048仍能穩(wěn)定輸出12V / 200mA，工作持續(xù)時(shí)間大于40秒，從而極大提高了超級(jí)電容的利用率。

圖 2 TLV61048的輸入輸出特性@單節(jié)超級(jí)電容輸入

除了斷電上報(bào)時(shí)長(zhǎng)以外，對(duì)PLC模塊來說另一個(gè)重點(diǎn)是上報(bào)成功率，升壓變換器也同樣扮演著重要角色。在線路驅(qū)動(dòng)器發(fā)射期間，負(fù)載電流會(huì)有瞬間快速跳變，而升壓電路環(huán)路響應(yīng)速度決定了瞬時(shí)的輸出電壓跌落的伏值，從而影響上報(bào)成功率。

圖3展示了TLV61048的輸出瞬態(tài)響應(yīng)特性曲線。在1.4V輸入， 3.5uF輸出電容， 25mA到200mA負(fù)載跳變下，TLV61048輸出跌落僅0.96V，可以有效保證線路驅(qū)動(dòng)器正常工作（THS6212的最低發(fā)射工作電壓為10V）。

圖 3 TLV61048的輸出負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

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綜上所述，無論從電路性能還是整體方案成本方面考量，TLV61048都是PLC載波通信系統(tǒng)中升壓電路的不二選擇。審核編輯：何安

審核編輯：何安