TLV61048升压变换器助力国家电网PLC载波通信系统设计

自工业4.0 被广泛提出以来,工业领域的热门关键词就变成了“更智慧的整合感控系统”、“更高度的自动化控制”,“更智能的生产故障主动排除能力”。在工业4.0的大趋势下,应用于智能电表上的电力线载波通信(PLC)技术也在高速发展。国家电网新标准要求智能电表母线12V电压在断电后,需要在规定时间内上报必要的信息,为了满足这个要求, PLC模组通常采用超级电容搭配升压电路(Boost)的方案进行能量存储与断电上报。

一个典型的PLC模组系统框图如图1 所示。除了主处理器外,整个系统主要由三部分组成:PLC线路驱动器(TI THS6212)实现宽带电力线信号驱动,同步高效降压变换器(TI TPS560430x)提供主处理器3.3V及升压系统辅助供电,还有一颗是本文将重点讨论的超大占空比的升压变换器TLV61048

 

图 1 典型智能表系统框图

在系统断电后,THS6212 PLC线路驱动器需要发射脉冲电流信号与集中器进行通信。脉冲信号周期为1s,幅值为25mA的直流电流上叠加持续时间为5ms的175mA脉冲电流。脉冲信号所需能量全部由超级电容加升压电路产生12V主电源轨提供。在此架构下,系统的断电维持时间主要受这两部分影响: 1)超级电容总能量;2)升压电路的最低工作电压。由于超级电容的单价相对较贵,用户都希望用尽量小容值的超级电容,本文将重点讨论如何用性价比最高的升压电路来榨干超级电容的能量,从而节省整个BOM成本。

升压芯片的最大有效升压比决定了超级电容的利用率,更大的升压比能够在更小输入电压时维持稳定的12V输出电压并提供足够的负载能力,从而延长系统断电维持时间。表1对比了不同容值的超级电容在相同初始电压(2.5V)、不同终止电压下(1.8V, 1.3V) 可以提供的总能量。

表 1 超级电容放电能量对比

                       放电电压

电容容值

2.5V → 1.8V

2.5V → 1.3V

10F

15J

22.8J

7F

10.5J

16J

 

从表1可以看出, 10F超级电容放电到1.8V电压下可以提供15J的能量,但是如果能让10F超级电容工作放电到1.3V则可以提供22.8J的能量。从另一个角度来看,7F超级电容放电到1.3V提供的能量 (16J),略大于10F超级电容放电到1.8V提供的能量(15J)。这意味着在满足同等的备电工作时间 (15J 能量)的条件下,选择合适的升压芯片可以用7F的超级电容去取代10F的超级电容,节省成本约0.3 RMB。在价格竞争近乎白热化的PLC载波模块领域,0.3 RMB的BOM成本也是相当可观的。

现在我们只需要找一颗高效率并且输入电压能支持最低1.3V的升压变换器来实现这个想法。TI最新推出的升压变换器TLV61048采用了自适应变频控制方式,有效的提高了传统定频控制模式的最大占空比限制,完美解决了这个问题。

图2展示了TLV61048在输入为单节7F超级电容,负载为载波通信脉冲电流下的输入输出特性。绿色曲线是TLV61048输出电流, 也是PLC的实际发射电流( 25mA直流电流 + 175mA / 5ms脉冲电流), 黄色曲线为TLV61048的输出电压, 蓝色曲线为TLV61048的输入电压 (即超级电容电压)。可以看到,在输入电压低至1.3V时候,TLV61048仍能稳定输出12V / 200mA,工作持续时间大于40秒,从而极大提高了超级电容的利用率。

图 2   TLV61048的输入输出特性@单节超级电容输入

除了断电上报时长以外,对PLC模块来说另一个重点是上报成功率,升压变换器也同样扮演着重要角色。在线路驱动器发射期间,负载电流会有瞬间快速跳变,而升压电路环路响应速度决定了瞬时的输出电压跌落的伏值,从而影响上报成功率。

图3展示了TLV61048的输出瞬态响应特性曲线。在1.4V输入, 3.5uF输出电容, 25mA到200mA负载跳变下,TLV61048输出跌落仅0.96V,可以有效保证线路驱动器正常工作(THS6212的最低发射工作电压为10V)。

图 3   TLV61048的输出负载动态响应特性

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综上所述,无论从电路性能还是整体方案成本方面考量,TLV61048都是PLC载波通信系统中升压电路的不二选择。