TLV61048升壓變換器助力國家電網(wǎng)PLC載波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)
發(fā)布時間:2019-12-02 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)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(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(jìn)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(shí)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(diǎn)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(jìn)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(diǎn)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(fù)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(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(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 (即超級電容電壓)。可以看到,在輸入電壓低至1.3V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(diǎn)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(fù)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(fù)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(fù)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。
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