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[参考译文] 用于 UWB 无线标签的低功耗、低输入电压稳压器、由超级电容器供电

Guru**** 1129500 points
Other Parts Discussed in Thread: TPS62903, TPSM82901, TPS629206, TPS629210, TPS629203, TPS62840
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/1185372/low-power-low-input-voltage-regulator-for-uwb-wireless-tag-powered-from-a-supercapacitor

主题中讨论的其他器件:TPS62903TPSM82901TPS629206TPS629210TPS629203TPS62840

新年快乐!

我正在为运动计时应用寻找超低功耗 UWB 无线标签的稳压器。 标签由超级电容器供电 、超级电容器 在参与者注册时已快速充电。 我们的目标是从超级电容器消耗尽可能多的功率、以便我们能够获得至少8小时的运行时间。  

这是标签上的两个主要组件;

    • 1.72V 至3.6V 电源电压(内部稳压)
    • 工作电流消耗@500kHz 系统时钟:150uA
    • 1.8V 至3.3V 电源电压 (内部稳压)
    • 浅睡眠电流@1.8V:40uA
    • 有源 RX 电流:@1.8V:11.8mA
    • 有源 TX 电流:@1.8V:3.5mA

我们可以使用单个超级电容器或两个串联电容器来提供更高的输出电压。

我认为基于电感器的 SMPS 是最高效的直流/直流转换器、但我愿意接受其他建议。

主要标准是:

  • 低功耗
  • 低输入电压
  • 低噪声
  • 高效率

感谢您花时间阅读并回答我的问题。  

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    您好、Peter、  

    您似乎需要低 IQ 器件和高轻负载效率。  

    您能不能查看  

    TPS62903

    www.ti.com/.../TPS62901

    TPSM82901

    www.ti.com/.../TPSM82901

    我 不知道您是否真的需要中等电压、您是否知道您需要这些直流/直流转换器的最小、标称和最大输入电压是多少、因为您可能会使用更便宜的低输入电压器件、甚至可能是 LDO?  

    谢谢!  

    Tahar  

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    尊敬的 Peter:  

    我还忘记提到、上述器件中有低于1的系列、您也可以考虑使用。 TPS629210、TPS629206和 TPS629203。 在 DCM 模式下、它们可以在轻负载时实现低至300mA 的电流和非常好的效率

     https://www.ti.com/product/TPS629210

    https://www.ti.com/product/TPS629206

    https://www.ti.com/product/TPS629203

    谢谢!  

    Tahar

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    您好、Tahar、感谢您的建议-当然、您建议的芯片在轻负载时的效率非常高。 是的、您是对的-低 IQ 是我忘记添加到列表中的另一个重要因素。 此外、最大输出电流小于50mA。

    微控制器和 UWB 芯 片能够提供低输入电压(1.8V)、因此这是我的首选直流/直流输出电压、因此我们不会使用会降低电压效率的板载 LDO。 我使用的是2.7-3.0V 超级电容器。 我认为输入压降电压应该非常低、否则我们不会利用它们的容量。 我想知道、一旦启动(在降压模式下具有更高的输入电压)、降压升压拓扑是否能够在低至0.5V 的电压下运行。 我希望这是有道理的。

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    根据我的标准、我想到了几个芯片 、但想要一个新的视角来找到一个可能的替代解决方案。

    https://www.ti.com/product/TPS62840

    https://www.ti.com/product/TPS631010

    有一些能量收集解决方案、但我没有技术知识来了解它们是否适合我的应用。

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    如果您必须使用单个超级电容器、降压-升压 转换器可能是合理的、因为降压转换器只能使用64%的可用能量、而降压/升压转换器如果能够低至1V、则可以使用几乎90%的能量、 这意味着降压/升压转换器从超级电容器消耗的能量比降压转换器消耗的能量多40%、而额外的输入能量将克服降压/升压转换器的较低效率、该转换器切换4个 FET 并通过这两个 FET 传递电流。

    但是、如果您能够将超级电容器堆叠在2x 系列中以将其充电至6V、则简单的降压转换器可以消耗6V 至1.8V 之间91%的能量、同时降压转换器的效率更高、这意味着更多的能量会输送到负载。

    对于1.8V 至6V 输入、1.8V 输出、我建议查看 TPS62840。  此750mA 峰值开关电流集成 FET 转换器将一直运行至旁路模式、从1.8V 输入提供1.8V 输出、 并在6.5V 至2.5V 的输入范围内提供150μA μ A 至12mA 的85-90%效率、随着输入电压继续下降至1.8V、效率将持续上升。

    由于我怀疑您的应用大部分时间都处于闲置状态、并且输出电流大约为190μA μ A、因此我认为 具有2个超级电容器堆栈的 TPS62840将更适合您的需求。

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    您好、Peter Stoneham、  

    我同意 Peter M 的观点、如果可能的话、如果您可以固定好您的晚餐帽、更低的输入电压直流/直流器件可以更好地为您服务。  

    如果是这种情况、我会将此帖子分配给 BSR LV 团队、他们可以从他们的产品系列中建议更多器件。  否则将 分配给降压/升压团队。   

    谢谢!  

    Tahar

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    您好、Tahar、感谢您推荐为 BSR 团队分配该职位。 看到他们的参与会很有趣、但是、我认为 似乎认为我 的 TPS62840降压稳压器对我们的应用很有吸引力。  

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    尊敬的 Peter:

    感谢您的回答、包括所有效率计算、这对我来说是完全有意义的。 我同意这样做的方法是使用两个串联的3V 电容器。 但是、我们希望将其充电至5.5V、以避免平衡电路、从而降低标签成本和复杂性。 考虑到这一点、清除的能量的总百分比会略低。  TPS62840具有1.8V 旁路电压、我认为这仍然是合理的、是我最初的选择。 再次感谢您花时间和精力为我的问题提供了一个书面的答案-非常感谢!

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    您知道每个 Rx/Tx 周期有多长时间吗?  您预计每8小时有多少个 Rx/Tx 周期?

    2个10F 电容器充电至2.75V (5.5V 电池组)并放电至0.9V (1.8V 电池组)、可提供33.76J 的能量。 考虑效率损耗、可提供约30J 的可传递能量、或在1.8V 时提供约4.6mA-h 的能量

    190μA 使用 μ F 的浅睡眠、电容器中将有大约24小时的待机电荷、但每秒 Rx 时间将待机时间缩短约1分钟(62s)、因此标签寿命与 Rx/Tx 周期有关的时间要比任何其他时间都要多。  您可以采取任何措施来限制 Rx/Tx 周期、例如在 Rx/Tx 周期后超时以防止同一标签多次读取通过读取器、这肯定有助于扩展标签的充电容量。

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    大家好、Peter、

    哇-这超出了我想象中的客户服务水平。 您的回应同样是完全有意义的、有助于巩固我们的思维。 我很高兴分享我的朋友 Rod McMahon 为我编写 的一些负载计算 https://docs.google.com/spreadsheets/d/1w7mfYxNOdsLPI-psZOIUrmz-Ry-41ZU2HTOWeJX9WdE/edit?usp=sharing

    您将注意到、由于主动的 Rx/Tx 睡眠占空比、它假定 TX/RX 多样性为10%(请参阅浅睡眠状态转换图)。  Rod 是一名退休的电气工程师、我知道如果您有时间、他会非常感兴趣地获取您对其计算的反馈。

    我认为、对我要实现的目标的最佳介绍是展示我们当前基于 NFC 的解决方案 的简短而有趣的视频:https://www.youtube.com/watch?v=vxl7XCnCsdA 

    我们仅从标签发送7字节 UID、并使用自动回复功能接收4字节站点名称和时间戳、其中信息返回通道的保守值为128kbps、但速率高达2Mbps。
    我们在一个时钟周期自动超时所有自动回复(请参阅测距图)。 范围内不应有任何值、因为该工作站的高增益天线会穿过起点/终点线。 然后、在标签 Tx 占空比(例如20ms 间隔)上进行更精细的测距、可以确定骑手何时处于最接近的范围。 由于延迟较低且可预测、自动回复功能也可用于范围调整。
    例如-如果骑手以20km/h 的速度行驶并通过1m 宽的光束、则骑手将处于工作站的通信范围内180ms。 如果标签占空比为20ms、则将有九个自动回复周期来进行更精细的范围调整、从而优化起始时间戳。
    我希望这能让您对我们要实现的目标有一个很好的了解。
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    感谢您的解释和图表。  在此基础上、我想只要标签长时间不在起始站前面、您就可以使用2个10F 超级电容器达到8小时的使用寿命。

    在赛道上可以部署的车站数量将达到一定的最大值、这将取决于赛车预计在计时站前面通过的速度、 但是、一旦包含了整个系统和所有泄漏电流、您就可以确定这一点。

    您的配置文件包括浅睡眠和 Rx/Tx 期间之间的16μs "直流/直流启动"周期。  您是否认为您将在浅槽期间关闭直流/直流转换器?   鉴于 TPS62840的偏置能耗较低、我不确定这是不是一个好主意、因为您需要在进入睡眠之前设置电压、以便在睡眠时间内允许一些下降、并且 Rx/Tx 期间的较高电压将消耗更多的能量。  我认为、在睡眠期间您将节省的任何能量都将小于 Rx/Tx 期间增加的损耗、除非睡眠期间的电压可能低于 Rx/Tx 期间。

    但是、如果输出电压在睡眠期间可能会有所衰减、TPS62840确实具有停止功能、在该功能中可以停止开关并允许输出电压下降、然后在释放 STOP 引脚时可以恢复输出。

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     Enduro 格式是一种分阶段重力事件、假设2-10个定时阶段在1-6小时内完成。 我认为、我们可以限制在通过开始/结束行时自动回复的数量、以减轻覆盖范围过大的问题。 关于使用  STOP 引脚停止 TPS62840 、我们只考虑使用此引脚来限制射频噪声、但随后放弃了这一想法。

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    尊敬的 Peter:

    我的上一个帖子。 我们考虑在 Rx/Tx 期间使用停止引脚、并在直流/直流转换器的输出端使用保持电容器。 但是、当输出电压接近微芯片和 UWB 芯片的欠压电压时、这将无法正常工作... 总之、我们不会被一些噪音吓到...  

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    听起来不错。  我相信采用两个串联超级电容器的 TPS62840可能是最适合您应用的配置。  我不认为从降压-升压运行到较低输入电压的额外能量回收将从超级电容器中恢复足够的额外能量、以抵消应用将花费大部分时间的浅斜坡期间的较低效率 时间。

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    再次感谢您的反馈-这让我有一定的信心继续您对初始原型的建议。  我们选择 了2x10F SCCS30E106SRB https://datasheets.kyocera-avx.com/AVX-SCC-3.0V.pdf 、在开始使用两个10x30mm 电容器进行硬件布局之前、我已经绘制了标签的概念。