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[参考译文] TPS61094:插入电池时超级电容器未充电

Guru**** 2511085 points
Other Parts Discussed in Thread: TPS61094

请注意,本文内容源自机器翻译,可能存在语法或其它翻译错误,仅供参考。如需获取准确内容,请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

https://e2e.ti.com/support/power-management-group/power-management/f/power-management-forum/1527287/tps61094-supercap-not-charging-in-on-battery-insertion

器件型号:TPS61094

工具/软件:

大家好、TI 是一名 EE 同事、

这是物联网设备的电源路径、在使用多个原型和电池进行测试时、我们遇到了 70%的时间将锂 LS14250 电池插入产品时超级电容器未充电的问题。

此 EN 和 MODE 设置背后的原理是、在电池插入时、器件被启用、一旦 Vout 变为高电平、就会进入自动降压/升压模式。 R14 连接到 Vout 而不是 Vin 的原因是、移除电池后、Vin 可能会降至 Vout ->器件旁路而没有反向电流流动、然后 Vin 可能会进一步下降、然后器件被禁用。 这会导致用户体验、移除电池会使器件复位、而不必等待一周来耗尽超级电容。 我仍在测试此内容。  

在正常运行时、EN 和 MODE 都应处于高电平、使用新电池时、超级电容器应充电。 但事实并非如此。 锂亚硫酰可以有点懒惰,如果他们已经有库存。 这可能是为什么我的工作台电源电压为 3、6V 时、我发现这只发生过一次、认为这是一个制造缺陷、并继续测试另一个原型。 如果您等待几个小时、超级电容器通常会在未充电时最终达到约 0V、 等待 24 小时不会进一步增加。 将 EN 拉至低电平(通过 TP28 上的按钮连接到 GND)通常可以解决问题。 有时您需要多次按下它。 开始充电后、一切都按预期工作。

我尝试重现这个问题、 当 插入与 PSU 串联的 10k 串联电阻器时、可以这样做。 该值对于串联电阻来说太大、无法维持产品的电流((30mA 峰值、6uA 睡眠状态)和超级电容器的充电电流。 一旦我将 10k 电阻器短接、Vout 就会上升到 Vin、但超级电容器不会开始充电、即使我预计会这样做。 经过大量测试、我发现切换模式为低电平、迫使芯片充电、即使释放按钮后、它也会继续按预期充电。 当然,电池的内部电阻低得多,但这有助于重现问题。  

我感觉芯片锁存在某种奇怪的状态、如果输入电压足够高、错过了触发器、它就可以开始为超级电容器充电。 如果按照预期在 Osel 的 3.0V 设置电压高于该设置、则开始缓慢开启输入电压充电。  

现在、我认为修复/贴片使用由微控制器控制的晶体管强制将模式设为低电平、直到超级电容器充电至大约 0.85V (Vsup_uvl)。

我使用该电路使用器件微控制器测量超级电容器电压

可能不感兴趣、但为了完整起见、您永远不会知道。 微控制器的运行电压为 1、8V、因此我需要一种低功耗方法来将其降低。  

我真的希望防止进入这种状态、更喜欢在不添加逻辑、软件和其他版本的情况下退出它。 但最重要的部分是了解正在发生的事情,知道修复是一个坚实的解决方案。 欢迎所有想法:)

提前感谢、

Ruud

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    尊敬的 Ruud:

    让我检查一下今天的答复。  

    此致

    Lei

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    尊敬的 Ruud:

    我们有一个问题:70%的时间将我的锂 LS14250 电池插入产品中、超级电容器没有充电。

    为了进行这种验证、是否使用了同一个电池? 二手蓄电池的电压是多少?

    电池是否用手插入? 如果是、我认为可能存在很大的 Vin 纹波。 如果可用、您可以使用示波器捕获电压波形。

    您可以尝试下面的快速实验吗:

    1. 设置 EN =低电平和 MODE =高电平、以禁用器件;
    2. 插入新的电池、确保电池电压高于 Vout 目标值 (3V);
    3. 将 EN 拉至高电平、使器件处于自动降压或升压模式。

    此致

    Lei

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    您好、Lei Zhong、

    感谢您的快速答复。

    在测试时、我会连续使用相同的电池、但在生产时、我们会使用新电池、这些电池可能已有数月的库存。  


    VIN (TP11) 和 VOUT (TP30) 上的蓝色输入。
    当我在使用万用表插入之前测量电池时、电压为 3.67V
    插入示波器时、可测量 3.65V 处的第一个峰值、但前 150ms 中的更深压降为 2、7V。 600ms 后为 3.05V
    超级电容器约为+5V。


    在上面的捕获中、它已成功开始为超级电容器充电

    在这一个中、它没有

    这是一个成功的

    放大电池插入情况、可以看到一些良好的接触弹跳。 我想、这对于电池产品来说是不可能的。  
    同样有趣的是、电压开始时下降非常显著。 这些是引导的所有处理器。 此处的电流消耗可能会高一些。 我可能也能在这里进行一些软件优化,我可能会刮掉 3 秒,不确定。  

    不过、当电压充分上升时、我希望芯片进入降压模式。 在 4 秒时、它为 3、35V


    这一个也不成功。  

    在这里、按下 ENABLE 按钮、下拉 ENABLE。 器件进入真正关断模式、您会看到输出立即降至 1、8V、即下一个转换器和子系统的电压。 这一次按下使能按钮并未启动充电序列。 有时它会立即做到,有时你需要尝试 10 次。  

    我还在 MODE 引脚上设置了一个接地按钮。 按此按钮始终会立即修复它。 这可能表明主要问题不仅在于插入、而且在于启动时负载的增大以及在 3V(OSEL 设置)附近浮动。  

    尽管如此、我希望在负载更大的最初 3 秒后、它会进行超级电容器充电。  

    如果还有更多需要测试或测量的内容、请告诉我。  

    奖励衡量:


    数字输入和输出。 您可以看到输入电压在大约 15 秒内缓慢下降、变为 1.8V(示波器处于 1/10 模式,但如果我们不连接示波器,我们不知道它是否也下降)。 它不会进一步下降、因此 tps61094 在升压模式下保持启用和激活状态。 接下来、按下 MODE 按钮会强制芯片处于降压模式、立即降低输出电压。 下一个事件是重新插入电池。 这里的超级电容器不是空的、因此这有助于启动、我想超级电容器正在充电。 这次我按下按钮非常短、但仍足以将输出电压降至 1.4V、这应该足以禁用系统。 不过、输入电压下降到远远超过输出电压是一件好事、因此我可以测量和检测电池移除情况。  

    因此、使用 MCU 控制 MODE 引脚在这方面也具有优势。  

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    尊敬的 Ruud:

    感谢您联系我们。 今天我们来看一下专家。 请稍后回复。 谢谢。

    此致、

    木林

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    尊敬的 Ruud:

    很抱歉晚回复。

    我认为问题与 插入电池时触点弹跳有关。

    在您的应用中、是否可以下拉 EN、插入电池、等待 Vin 电压稳定、然后将 EN 拉至高电平?

    请注意、当您尝试将 EN 拉至高电平时、   当 Vout 达到目标时、TPS61094 负载是否会很大? 如果是这样、瞬时输入电流也会很大、使得 VIN 引脚上的电压下降。

    我问道、因为当 EN 变为高电平时、我看到您所附的下图中 Vin 下降了。

    简单地总结一下、理想序列将如下所示:

    1. 断开 TPS61094 处的所有负载
    2. 将 EN 拉至低电平
    3. 插入电池
    4. 等待 Vbat 稳定
    5. 将 EN 拉至高电平
    6. Vout 达到目标后、连接负载

    如果上述顺序适用于您的电路、请尝试一下。

    此致

    Lei

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    您好、Lei、

    我很难断开输出、因为它分布在一个内层上、而这个内层与输出电容器下方的过孔相连。 如果需要、我可以开始移除子系统、但我觉得如果它在没有为电路板供电的情况下正常工作、我们仍然没有学习任何有效的知识。 因此、我尝试在不删除输出的情况下获取有价值的数据。  

    使能低电平的电池插入。 得到一些电压进入输出端、 这应该不可能通过我的系统泄漏,但我必须删除所有,以确保. 此外、这也不是问题、 TPS 禁用通常没有状态。

    这并没有增加充电的机会。 (尝试了 20 次、0 开始充电) (按下 MODE 引脚将其拉低,释放它,它开始并继续充电,每次都工作)。 如果我按 bash(连续快速按多次)、我可以让它与启用一起工作、否则不起作用。 如果超级电容器高于 0.85V、它会继续工作、但我会在它小于 0V、6V 的情况下进行测试。

      

    使能事件的放大图。  

    输入电压降至约 2.5V。 所有电容器会相加  


    我移除了通过负载开关 (TCK108AG) 连接到 3V0 网络的 wifi 子系统。 我移除了负载开关、以确保即使微控制器未通电、系统也不会对负载贡献。



    测量结果看起来仍然相同。 TPS 本身的输出电容器是主要产生因素、

    但现在每次我在插入电池时保持启用状态、然后让它继续、它都会启动。 尝试了 20 次左右。 接下来、尝试在不按住 ENABLE 按钮的情况下插入电池以将其拉低。  我  使用另一个原型重新测试了上述测量、以确保我测试得很好。  


    超过电池插入无法开始超级电容器充电。  


    上面放大了上述尝试失败的情况。 这次按 ENABLE 确实会启动。 请参阅下面的。



    接下来、我测量了没有 WiFi 的启动电流。 在 EEVblog uCurrent 设置为 0、1mA 1R/1mV 的情况下通过 1R 分流器测量测得。 连接到输出端的示波器。

    未对 4.7mA 充电


    为 8.4mA 充电

    (这些原型中的电流是调试固件,因此低功耗不正确)。 前 3 秒是关于 20mA。 然后是 8、以及 38mA 周围的 6、5s 至 8s。

    电流超出 200mA 范围、宽约 100us。

    如果没有 WiFi、则在插入电池时、它开始大约 9 次(共 10 次)。 很大的改进,仍然不能接受:).

    接下来、我使用 WiFi 测试原型。  



    初始电流块上升到 50mA、在 65mA 之前有更小的凸点并持续 180ms。

    最小的峰 也更宽。  
    Re — 以不同的标度测量

    插入电池时高达 510mA。 考虑到输入端有 30 μ F、这一点很令人惊讶。  

    总结到现在:降低功耗大大提高了赔率,虽然它不能解决问题。 插入电池时按住 ENABLE 按钮可使 WiFi 子系统的性能更糟、没有 WiFi 子系统时更好。 在这两种情况下、负载都不会接近 TPS61094 的限值。

    MODE 引脚上是否重新采样 OSEL、ICHG 和 VCHG 的值? 当输入电压因启动而不稳定时、可能会读取到错误的设置? 错误的配置可能会导致无法充电? 仅当以下使能事件不会导致 Vout 和 Vin 暴力摆动时、切换 EN 才会解决问题? 这就是为什么 MODE 确实将其固定为可靠的、输出和输入在该事件期间保持稳定的原因。 或者其他的东西,只是想大声的:)。

    Ruud

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    加分项是、我将电池更改为实验室电源。 配置为 3.55V、为了模拟插入、I 插入香蕉插头。  


    有些暴力摇摆,但它开始收费。

    我想说的是,我每次都能做到,但我还是让它失败了


    另一个故障

    按下 ENABLE 可将其固定。

    (已使用 WiFi 测试器件)

    我觉得此器件正是针对此用例而设计的、因此我认为它应该能够处理这些事件而不会进入需要干预的状态。

    Ruud

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    尊敬的 Ruud:

    让我在明天检查并回复您。

    此致

    Lei

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     尊敬的 Ruud:

    是否对 MODE 引脚上的 OSEL、ICHG 和 VCHG 值重新采样? [/报价]

     OSEL、ICHG 和 VCHG 的这些值 经过检测并锁定为从关断到启动的状态。 一旦锁定、它们将不会在其他工作状态下更改。

    如果输入电压因启动而不稳定、可能会读取到错误的设置?

    不应该有这种关切。

    错误的配置可能导致无法充电?

    当超级电容器电压仍然低于 SUP UVLO 时、是否可以避免 Vin 降至 Vout 目标值以下?

    仅当以下使能事件不会导致 Vout 和 Vin 剧烈摆动时、切换 EN 才会修复此问题?

    在之前的建议中、在插入电池后将 EN 拉至高电平的目的是避免 触点反弹导致 Vin 压降。 在您的实验中、即使这样、Vin 仍然可能会下降、这应该是 TPS61094 负载引起的。  

    那么、同样、当超级电容器电压仍然低于 SUP UVLO 时、是否有任何方法可以避免 Vin 降至 Vout 目标以下? 例如增大 Cin 电容?

    此致

    Lei

    [/quote]
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    您好、Lei、

    我订购了一些 AVX 低漏电钽 TRJB476K006R0500 (47uF 6,3V 500mR)、这是我能挤出的最大产品。  

    需要一天或两天的时间才能到达这里进行测试。

    这种电池类型具有较大的内阻,因此也具有超级电容器的功能:)。 Vin 至 Vout MOSFET 上的压摆率控制或软启动或许可以改善这种行为? :)


    您能告诉我、将 MODE 引脚切换为低电平进行修复是否是可靠的解决方案?

    也感谢您的其他见解、那么我想我们可以得出结论、假设模式似乎可以修复、则配置采样正确。

    Ruud

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    尊敬的 Ruud:

    也许一些压摆率控制或 Vin 至 Vout MOSFET 的软启动可以改善这种行为吗? :)

    l;eThat 应该是很好的尝试。

    为了尽可能降低启动期间的压降、另一种尝试是选择具有较小 ESR 的超级电容器。

    您能否告诉我将 MODE 引脚切换为低电平的修复是否是可靠的解决方案?

    如果方便、也可以尝试一下。

    实际上、所有尝试的目的相同: 在自动降压和升压模式下、当超级电容器电压仍低于 SUP UVLO 时、应避免 Vin 压降至 Vout 目标值以下。

    此致

    Lei

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    您好、Lei、

    我离开办公室了几天、但我们又来了一次:)


    成功


    第 7 次尝试失败。  



    这些看起来非常相似,我不能告诉为什么第一次有成功和以上失败. 与额外输入电容器之前相比、您可以看到插入时的输入电压尖峰几乎消失、2 这次电压骤降略小、但很小。  


    在使能为低电平时插入、然后释放使能、我们可得到上述测量值。 测试结果也有所改善。 首先、输入电压降至约 2、2 - 2、5V、现在即为 2、75 - 3V。 我测试了大约 30 次、每次释放使能功能都会成功开始超级电容器充电。  

    最后、它必须通过手动插入电池来确保可靠性。 控制启用 需要功率监控器或模拟类似器件。 我认为一个简单的 RC 与接触反弹不会在所有情况下都是可靠的。 此外、类似这样的芯片不应在使能端使用外部电源监控器。  

    通过切换 MODE 引脚、我可以确保在使 MODE 为高电平时 Vin 高于 Vout (OSEL)。 如果我这样做时、当超级电容器足够高于其 UVLO 时、我们可以得出结论、这是一种可靠的解决方案吗? 我认为是这样、但我也希望你确认这一点。  

    此外、我不添加钽电容器、因为它可能会向我的产品添加冲突矿产、同时会增加 BOM 和电流泄漏。  

    我认为无需使用它、因为一旦超级电容器有足够的电量、TPS61094 不再只依赖电池。  

    此致、

    Ruud

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    尊敬的 Rudd:

    很抱歉、本周我可能收到较晚的回复、但我一定会提供此星期五的反馈。

    此致

    Lei

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    尊敬的 Rudd:

    在最新随附的图片中、Vin 压降似乎是由短而大的负载脉冲引起的。 在超级电容器电压高于 SUP UVLO 后可以激活这种负载脉冲吗?

    返回到您的问题:

    通过切换 MODE 引脚、我可以确保在使 MODE 变为高电平时 Vin 高于 Vout (OSEL)。 如果我这样做时、当超级电容器足够高于其 UVLO 时、我们可以得出结论、这是一种可靠的解决方案吗?

    “切换 MODE 引脚“有点模糊。 如果您意味着 MODE 引脚在初始状态下为低电平、则在 Vin 高于 Vout (OSEL) 后、将 MODE 引脚拉至高电平。 如果是、则应该是可靠的解决方案。

    如果您发现任何问题、请告诉我。

    此致

    Lei

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    您好、Lei、

    我推出了一个具有对 MODE 引脚控制的 PCB 版本。 通过切换我的意思是、在控制 MODE 引脚的 MCU 启动时、MODE 引脚被设为低电平。 MCU 还读取超级电容器电压。 当超级电容器电压高于  VSUP_UVLO 上升+一些裕度时、I RELEASE MODE 引脚。 这样可以确保 Vin 不会下降到高于 Vout。 MCU 暂停耗电功能、直到超级电容器充分充电。  

    我认为这应该减轻我们的问题。

    Ruud

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    尊敬的 Ruud:

    我认为是这样。 感谢您的反馈。

    如果您有新发现或发现问题、请告诉我。

    此致

    Lei