DC/DC-Wandler Wie sich Smart Meter zuverlässig mit Strom versorgen lassen

Von Jing Ji und Adam Grula*

Smart Meter, also intelligente Verbrauchsmesser beispielsweise für Gas oder Wasser, zeichnen die verbrauchten Mengen auf und übertragen die entsprechenden Informationen drahtlos, z. B. per NB-IoT, LoRa oder ZigBee an ein Rechenzentrum.

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Versorgen Smart Meter mit Strom: der synchrone Boost-Wandler TPS610995 (links oben) und der bidirektionale, synchrone Buck/Boost-Wandler TPS61094.
Versorgen Smart Meter mit Strom: der synchrone Boost-Wandler TPS610995 (links oben) und der bidirektionale, synchrone Buck/Boost-Wandler TPS61094.
(Bild: Texas Instruments)

Die Herausforderung bei der Versorgung von Smart Metern mit Energie besteht darin, dass die verwendete Batterie einerseits über sehr lange Zeiträume den geringen Standby-Strombedarf des Zählers decken muss, während andererseits die hohen Stromspitzen unterstützt werden müssen, die während der kurzen Datenübertragungs-Phasen entstehen.

In Frage kommen hier LiMnO₂- (Lithium-Mangan-Dioxid) oder LiSOCl₂-Batterien (Lithium-Thionylchlorid), mit denen die Smart Meter mindestens zehn Jahre auskommen sollen. Viele Entwickler bevorzugen die Lithium-Thionylchlorid-Batterie, die mit einer geringen Selbstentladerate und einer hohen Energiedichte aufwartet und daher eine lange Lebensdauer verspricht. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass ihre Spannung mit 3,6 V höher ist als die einer LiMnO₂-Batterie, die nur 2 bis 3 V abgibt. Andererseits sind ihr maximaler Dauerstrom und ihre Pulsstromfestigkeit geringer. Es ist deshalb gängige Praxis, parallel zur LiSOCl₂-Batterie einen HLC (Hybrid Layer Capacitor) oder Supercap zu schalten, um die kurzzeitigen hohen Ströme während des Übertragens der Daten zu unterstützen. Eine weitere nachteilige Eigenschaft von LiSOCl₂-Batterien ist, dass ihre Kapazität vom Entladestrom und von der Arbeitstemperatur abhängt (Bild 1).

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Während die Batteriekapazität bei 3 mA Entladestrom und 25 °C etwa 8,5 Ah beträgt, geht sie bei 100 mA Laststrom um volle 76 Prozent, nämlich auf 2 Ah zurück. Es empfiehlt sich daher, den Entladestrom einer LiSOCl₂-Batterie zu regeln, um eine höhere Kapazität zu erzielen und die Einsatzdauer dadurch zu verlängern.

Direktanschluss der Batterie

Traditionell wurden Smart Meter direkt aus der Batterie versorgt (Bild 2). Das Kommunikationsmodul (z. B. für NB-IoT) ist hier also unmittelbar an die Kombination aus LiSOCl₂-Batterie und HLC angeschlossen. Im Sendebetrieb liefert der HLC den hohen Impulsstrom für das NB-IoT-Modul, während der HLC im Sleep-Modus aus der Batterie wieder aufgeladen wird.

Nachteilig an der Versorgung durch eine direkt angeschlossene Batterie ist die Tatsache, dass anstellte eines HLC1520 ein größerer und teurerer HLC1550 gewählt werden muss. Bei der Kombination aus Batterie und HLC5120 würde die Spannung während des 250 ms anhaltenden Laststroms von 250 mA sonst auf 3,4 V einbrechen, was zur Versorgung des gesamten Systems nicht ausreicht. Der HLC1550 unterstützt dank seiner größeren Maße höhere Ströme, sodass die Spannung hier nur auf 3,6 V zurückgeht. Folglich wird das System hier auch während der Sendephase ausreichend versorgt.

Eine ungünstige Eigenschaft dieser Lösung ist der ungeregelte Ladestrom der LiSOCl₂-Batterie, weshalb die eigentlich mögliche Kapazität der Batterie nicht in vollem Umfang ausgeschöpft werden kann.

Reine Boost-Lösung mit TPS61094 oder TPS610995

Eine kostenmäßig wettbewerbsfähige Lösung ist die reine Boost-Lösung (Hochsetzsteller) mit einem Baustein des Typs TPS61094 oder TPS610995 (Bild 3). Die Batterie wird dabei durch einen HLC des Typs HLC1520 (Tadiran), SPC1520 (EVE) oder UPC1520 (HCB) ergänzt und mit einem reinen Boost-Wandler kombiniert, der die Ausgangsspannung über den gesamten Temperaturbereich hinweg auf etwa 3,6 V regelt. Da diese Lösung nicht an den HLC eines bestimmten Anbieters oder an eine bestimmte HLC-Größe gebunden ist, erweist sie sich insgesamt als kosteneffektiver als der direkte Anschluss an die Batterie.

Auch bei der reinen Boost-Lösung bleibt der Nachteil bestehen, dass der Entladestrom der LiSOCl₂-Batterie nicht geregelt wird, sodass hier ebenfalls nicht die volle Kapazität der Batterie genutzt werden kann. Auch die Spannung, bei der das Entladen der Batterie beendet wird, ist nicht kontrollierbar. Ist aber die Klemmenspannung zu niedrig, d. h. kleiner als 2 V, kommt es zu nicht wieder gut zu machenden Beeinträchtigungen der Batterielebensdauer.

Kombination aus TPS61094 und Supercap

Wenn der TPS61094 zum Einsatz kommt, lässt sich der HLC durch einen Supercap ersetzen (Bild 4). Hierdurch ist es möglich, die Kosten der Gesamtlösung zu senken und den Entladestrom der LiSOCl₂-Batterie zu regeln, damit die Kapazität der Batterie und ihre Lebensdauer in vollem Umfang genutzt werden können.

Beschreibung des TPS61094

Der TPS61094 ist ein synchroner, bidirektionaler Buck/Boost-Wandler mit einem Bypass-Schalter zwischen Ein- und Ausgang. Wenn der TPS61094 im Buck-Modus (also als Tiefsetzsteller) arbeitet und den Supercap lädt, lassen sich der Ladestrom und die Ladeende-Spannung mit zwei externen Widerständen (R3 und R₂) programmieren. Arbeitet er dagegen im Boost-Modus, kann der TPS61094 die vom Supercap abgegebene Spannung hochsetzen und die Ausgangsspannung auf den mit R1 programmierten Wert regeln.

Die vier Betriebsarten des TPS61094 (Auto Buck/Boost Mode, Force Buck Mode, Force Bypass Mode und True Shutdown Mode) werden mit den Pins EN und MODE entsprechend dem jeweiligen Anwendungsfall gewählt. Die Ruhestromaufnahme des TPS61094 beträgt 60 nA (im Buck- oder Boost-Betrieb) und 4 nA in der Betriebsart Force Bypass, sodass die Voraussetzungen für eine lange Betriebszeit batterieversorgter Systeme gegeben sind.

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Funktionsweise des Systems

Bei der Kombination aus TPS61094 und Supercap muss der TPS61094 durch keinen Mikrocontroller gesteuert werden, da er automatisch zwischen Laden (im Buck-Modus) und Entladen (im Boost-Modus) wechseln kann. In den Auto Buck/Boost Mode wird der TPS61094 durch einen High-Status an den Pins EN und MODE versetzt. Es wird empfohlen, die Sollspannung mithilfe von R1 auf 3,3 V (>3,6 V – 150 mV) einzustellen, was dem TPS61094 beim automatischen Wechsel in den Lade-Modus helfen kann. Über das Programmieren eines Ladestroms von 5 mA lässt sich die volle Kapazität der LiSOCl₂-Batterie ausnutzen, und mit dem Vorgeben einer Ladeschlussspannung von etwa 2 V erreicht man, dass der Supercap einen niedrigeren Leckstrom aufweist und eine längere Lebensdauer erreicht. TI empfiehlt ferner die Verwendung eines Serienwiderstands (Rin) von etwa 40 Ω zwischen der LiSOCl₂-Batterie und dem VIN-Pin des TPS61094, da dies zum Begrenzen des Entladestroms der LiSOCl₂-Batterie während der Sendephasen beitragen kann.

Wenn die Eingangsspannung während des Standby-Betriebs des Smart Meters größer ist als die um 100 mV erhöhte Ausgangsspannung, schaltet der TPS61094 in den Auto Buck Mode um. Der als Bypass dienende MOS-Transistor schaltet ein und das NB-IoT-Modul wird aus der Batterie versorgt. Zudem lädt der TPS61094 den Supercap vollständig auf. Wenn das NB-IoT-Modul sendet, entsteht ein hoher Impulsstrom am Ausgang des TPS61094. Weil dieser Strom nicht vollständig von der LiSOCl₂-Batterie geliefert werden kann, bricht die Eingangsspannung ein. Sobald aber der TPS61094 erkennt, dass die Eingangsspannung kleiner als die um 100 mV erhöhte Ausgangsspannung ist, schaltet er selbsttätig in den Boost-Betrieb um, sodass der hohe Laststrom größtenteils vom Supercap geliefert wird. Eine Übersicht dazu bietet Tabelle 1. Einen zusammengefassten Vergleich der drei beschriebenen Lösungen zeigt Tabelle 2.

Eigenschaften des Supercaps

Die Lebensdauer des Supercaps hängt von der Betriebstemperatur und der Betriebsspannung ab. Eine Schätzung der Alterungsrate ergibt, dass eine Überspannung von 200 mV die Alterung um den Faktor 2 erhöht und damit dieselben Auswirkungen hat wie eine Temperaturerhöhung um 10 K.

Eine wichtige Rolle spielt in einem Smart Meter der Leckstrom des Supercaps, der unter anderem von der Temperatur, der Arbeitsspannung und der Kapazität abhängig ist. Bei 65 °C ist der Leckstrom beispielsweise um den Faktor 3 bis 4 höher als bei 25 °C (Bild 5).

Wegen der großen Abhängigkeit der Lebensdauer und des Leckstroms eines Supercaps von seiner Arbeitsspannung empfiehlt TI, die Klemmenspannung auf 2 V festzulegen. Damit lässt sich bei 65 °C eine Lebensdauer von 20 Jahren erreichen, und der Leckstrom beträgt nur etwa 18 Prozent des im Datenblatt angegebenen Wertes.

Die Kapazität des Supercaps hängt von der Leistungsaufnahme der Sendevorgänge ab. Nehmen wir am Beispiel einer NB-IoT-Anwendung an, dass einmal täglich eine Datenübertragung erfolgt, dass die Versorgungsspannung 3,3 V beträgt und dass Daten im Umfang von 200 Bytes übertragen werden. Der Energiebedarf einer Übertragung wird mit ca. 4 J angesetzt. Um 20 Prozent Reserve zu haben, sollte der Supercap 4,8 J speichern. Der TPS61094 funktioniert bis zu einer Supercap-Spannung von 0,7 V herab. Wenn also die Energie aus dem Supercap von 2 bis 0,7 V genutzt werden kann, beträgt die entnehmbare Leistung 1,755 C. Da die Energiemenge aus dem Supercap größer sein sollte als der Energiebedarf der NB-IoT-Übertragung von 4,8 J, sollte für den Smart Meter ein Supercap mit einer Kapazität von 3 F gewählt werden.

Testergebnisse der Lösung mit dem TPS61094

Tests der Lösung mit einer Kombination aus TPS61094 und Supercap bestätigen die theoretisch zu erwartenden Eigenschaften (Bild 6). Während der NB-IoT-Datenübertragung (Phase 1) fließt für eine Dauer von 250 ms ein Laststrom von 250 mA, wobei der TPS61094 die Ausgangsspannung auf 3,3 V und den Batteriestrom auf 5 mA genau regelt. Nach dem Ende der Datenübertragung (Phase 2) lädt der TPS61094 den Supercap mit einem Strom von rund 2,5 mA. Die Spannung des Supercap steigt dabei an und erreicht schließlich die Ladeschluss-Spannung von 2 V. Dieser Punkt, an dem der TPS61094 das Laden einstellt, markiert den Beginn von Phase 3, in der das System in den Standby-Status übergeht und auf die nächste NB-IoT-Übertragung wartet.

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad der Lösung aus TPS61094 und Supercap beträgt im Boost-Modus etwa 93 Prozent (bei Vin = 2 V, Vout = 3,3 V und Iout = 250 mA). Im Buck-Modus wird ein Wirkungsgrad von rund 88 Prozent (bei Vin = 3,6 V, VCHG = 2 V und ICHG = 2,5 mA erreicht). Somit bringt diese Lösung alle Voraussetzungen für eine zuverlässige Versorgung von Smart Metern mit.

* Jing Ji ist System Engineer bei Texas Instruments in Shanghai, China.

* Adam Grula ist Product Marketing Engineer für Auf- und Abwärtswandler bei Texas Instruments in Tempe, Arizona, USA.

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