Power-Tipp So verlängern Sie die Batterielebensdauer von Durchflussmessern

Autor / Redakteur: Eric Djakam * / Kristin Rinortner

Lithium-Primärbatterien exakt zu überwachen ist schwierig. Ein spezieller Überwachungs-Chip kann das vereinfachen. Wir zeigen am Beispiel eines intelligenten Wasserzählers, wie man die Überwachung implementiert und welche Vorteile dies in IoT-Anwendungen bringt.

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Power-Tipp: Die Laufzeit von Durchflussmessern mit einem Überwachungs-IC verlängern.
Power-Tipp: Die Laufzeit von Durchflussmessern mit einem Überwachungs-IC verlängern.
(Bild: TI)

Als Energiequellen in Durchfluss­messern werden Lithium-Mangan­dioxid- (LiMnO2) und Lithium-Thionylchlorid-Batterie (LiSOCl2) eingesetzt. Die Popularität des letzteren Batterietyps bei Durchflussmessern rührt daher, dass er sich durch eine höhere Energiedichte und ein besseres Preis-Leistungs-Verhältnis auszeichnet als Ersterer. Nachteilig an LiSOCl2-Batterien ist hingegen ihr Impulsverhalten, das ein starkes Einbrechen der Spannung bei kurzzeitigen Stromspitzen zur Folge hat.

Das Impulsverhalten von LiSOCl2-Batterien lässt sich jedoch mithilfe von Puffer­elementen wie etwa Hybridschicht-Kondensatoren (HLCs) oder Doppelschicht-Kondensatoren verbessern. Eine zuverlässige Kombination aus HLCs und LiSOCl2-Batterien ist jedoch teuer und treibt die Gesamtkosten des Durchflussmessers in die Höhe.

Durchflussmesser mit Lebensdauer von 15 Jahren

Ein typisches Durchflussmesser-System besteht aus einem Mess-Frontend, einem Kommunikations-Frontend, einem Mikrocontroller, einem Power-Management-IC und einem Schutz-Frontend. Von Durchflussmessern wird erwartet, dass sie mit minimalem Instandhaltungsaufwand eine Lebensdauer von mehr als 15 Jahren erreichen.

Bild 1: 
Impulsantwort des Buck-Boost-Wandlers TPS63900.
Bild 1: 
Impulsantwort des Buck-Boost-Wandlers TPS63900.
(Bild: TI)

Um die Gesamtkosten zu senken und die Lebensdauer zu steigern, bietet es sich an, LiSOCl2-Batterien mit Abwärts-Aufwärtswandlern zu kombinieren. Tatsächlich gelingt es mit dem Buck-Boost-Wandler TPS63900 und einem Pufferelement zum Filtern des Batteriestroms, die maximale Stromentnahme aus der Batterie zu begrenzen.

Wichtig ist, dass Eingangs- und Ausgangsspannung unabhängig voneinander sind, um das Profil des aus der Batterie entnommenen Stroms und des an den Verbraucher abgegebenen Stroms zu optimieren. Darüber hinaus vereinfacht sich auch die Nutzung des Pufferelements zwischen Ein- und Ausgang.

Energiebedarf des Systems optimieren

Um den Energiebedarf des Systems zu optimieren, muss die durchschnittliche Stromaufnahme des Wandlers gegenüber der des Gesamtsystems vernachlässigbar gering sein. Wenn beispielsweise der Durchflussmesser im Mittel ca. 5 µA aufnimmt, sollte die Standby-Stromaufnahme des Wandlers kleiner als 500 nA sein.

Zusätzlich sollte die Versorgungsspannung so gering wie möglich gewählt werden. Stellt man sich das System als einen vom Wandler gespeisten Widerstand vor, ermöglicht eine niedrige Versorgungsspannung eine Absenkung des vom System aufgenommenen Standby-Stroms.

Bild 2: Wirkungsgrad des Buck-Boost-Wandlers TPS63900 bei einer Eingangsspannung von 3,6 V.
Bild 2: Wirkungsgrad des Buck-Boost-Wandlers TPS63900 bei einer Eingangsspannung von 3,6 V.
(Bild: TI)

Die DVS-Funktionalität (Dynamic Voltage Scaling) des TPS63900 befähigt den Wandler, seine Ausgangsspannung bei laufendem Betrieb anzupassen und somit den Verbraucher an seinem optimalen Betriebspunkt zu betreiben.

Anschaulich werden die Verhältnisse mit einer Messung des Lastsprungverhaltens unter folgenden Bedingungen:

  • Standby-Strom (Iout): 158 µA während 999 ms
  • Aktiver Strom (Iout): 97,4 mA während 1 ms
  • Eingangsspannung (Uin): 3,6 V
  • Ausgangsspannung: 3,0 V
  • Ausgangskondensator: 300 µF

In den Bildern 1 und 2 wird deutlich, wie der TPS63900 den aus der Batterie entnommenen Strom filtert und dabei einen guten Wirkungsgrad und eine einwandfreie Regelung der Ausgangsspannung gewährleistet.

Fazit: Der TPS63900 zeichnet sich durch eine sehr niedrige Standby-Stromaufnahme, ein gutes Lastsprungverhalten, ein geringes Ausgangsrauschen und eine dynamische Spannungserhöhung aus. Diese Funktionen sind in einem 2,5 mm x 2,5 mm messenden Gehäuse untergebracht. Die Abmessungen der gesamten Lösung belaufen sich auf 21 mm². Damit können Sie bei der Nutzung von LiSOCl2-Batterien auf komplexe und teurere Konzepte verzichten.

* Eric Djakam arbeitet als Senior Field Applications Engineer bei Texas Instruments in Paris / Frankreich.

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