【導讀】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)”、“更高度的自動化控制”，“更智能的生產(chǎn)故障主動排除能力”。在工業(yè)4.0的大趨勢下，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。國家電網(wǎng)新標準要求智能電表母線12V電壓在斷電后，需要在規(guī)定時間內(nèi)上報必要的信息，為了滿足這個要求， PLC模組通常采用超級電容搭配升壓電路（Boost）的方案進行能量存儲與斷電上報。
一個典型的PLC模組系統(tǒng)框圖如圖1 所示。除了主處理器外，整個系統(tǒng)主要由三部分組成：PLC線路驅(qū)動器（TI THS6212）實現(xiàn)寬帶電力線信號驅(qū)動，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討論的超大占空比的升壓變換器TLV61048。
在系統(tǒng)斷電后，THS6212 PLC線路驅(qū)動器需要發(fā)射脈沖電流信號與集中器進行通信。脈沖信號周期為1s，幅值為25mA的直流電流上疊加持續(xù)時間為5ms的175mA脈沖電流。脈沖信號所需能量全部由超級電容加升壓電路產(chǎn)生12V主電源軌提供。在此架構(gòu)下，系統(tǒng)的斷電維持時間主要受這兩部分影響: 1）超級電容總能量；2）升壓電路的最低工作電壓。由于超級電容的單價相對較貴，用戶都希望用盡量小容值的超級電容，本文將重點討論如何用性價比最高的升壓電路來榨干超級電容的能量，從而節(jié)省整個BOM成本。
升壓芯片的最大有效升壓比決定了超級電容的利用率，更大的升壓比能夠在更小輸入電壓時維持穩(wěn)定的12V輸出電壓并提供足夠的負載能力，從而延長系統(tǒng)斷電維持時間。表1對比了不同容值的超級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 超級電容放電能量對比
從表1可以看出， 10F超級電容放電到1.8V電壓下可以提供15J的能量，但是如果能讓10F超級電容工作放電到1.3V則可以提供22.8J的能量。從另一個角度來看，7F超級電容放電到1.3V提供的能量 （16J），略大于10F超級電容放電到1.8V提供的能量（15J）。這意味著在滿足同等的備電工作時間 （15J 能量）的條件下，選擇合適的升壓芯片可以用7F的超級電容去取代10F的超級電容，節(jié)省成本約0.3 RMB。在價格競爭近乎白熱化的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的升壓變換器來實現(xiàn)這個想法。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，完美解決了這個問題。
圖2展示了TLV61048在輸入為單節(jié)7F超級電容，負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， 藍色曲線為TLV61048的輸入電壓 (即超級電容電壓)?？梢钥吹剑谳斎腚妷旱椭?.3V時候，TLV61048仍能穩(wěn)定輸出12V / 200mA，工作持續(xù)時間大于40秒，從而極大提高了超級電容的利用率。
圖 2 TLV61048的輸入輸出特性@單節(jié)超級電容輸入
除了斷電上報時長以外，對PLC模塊來說另一個重點是上報成功率，升壓變換器也同樣扮演著重要角色。在線路驅(qū)動器發(fā)射期間，負載電流會有瞬間快速跳變，而升壓電路環(huán)路響應(yīng)速度決定了瞬時的輸出電壓跌落的伏值，從而影響上報成功率。
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負載跳變下，TLV61048輸出跌落僅0.96V，可以有效保證線路驅(qū)動器正常工作（THS6212的最低發(fā)射工作電壓為10V）。
圖 3 TLV61048的輸出負載動態(tài)響應(yīng)特性
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。
推薦閱讀：
