隨著物聯網技術的飛速發展，智能燃氣表在燃氣行業的應用愈發廣泛。在 2025 年，伴隨 「煤改氣」 工程的持續推進和天然氣用量的逐年遞增，智能燃氣表市場需求依舊旺盛，尤其是 NB-IoT 智能燃氣表，憑藉其技術成熟、抄表便捷、功耗低等優勢，逐漸成為市場主流。在此背景下，設計一套穩定可靠、低功耗的供電系統，對保障智能燃氣表全生命周期的穩定運行，顯得尤為重要。本文將圍繞 NB-IoT 智能燃氣表低功耗供電系統的設計與測試展開論述。
智能燃氣表常見的供電方式，由外置供電與內置供電兩部分組成。《2025-2030年全球及中國智能燃氣表行業市場現狀調研及發展前景分析報告》指出，外置供電部分由 4 節 1.5V 鹼性電池串聯而成，內置供電部分則採用一次性鋰亞電池，形成外保內的供電模式。當內、外電同時供電時，4 節外置鹼性電池為控制板各模塊供電;外電拔除後，一次性鋰亞電池接管供電任務。
為確保 NB 模組在外電掉電時仍能穩定通信，提升通信成功率，系統引入超級脈衝複合電容 UPC1520 設計充放電電路。迴路導通時，電池與超級電容共同提供負載電流;迴路斷開時，電池為超級電容充電。超級電容器既能補償電池電流，減輕電池輸出大電流的壓力，降低電池端電壓下降幅度與內部損耗，延長電池壽命，還能在外置電池取出後，依靠 UPC1520 儲存的電量，實現智能燃氣表掉電後的關閥和通信上報功能。
智能燃氣表供電系統由內置電源供電埠、外置電源供電埠、UPC 充放電電路、掉電檢測電路、採樣電路、電壓轉換電路和可控制開關電路構成。
電源供電埠電路：外置電源供電埠和內置電源供電埠分別設有單向二極體 VD1、VD3，本設計選用矽二極體，壓降約 0.7V。6V 外置電源上電後，VD1 導通，後端電壓約 5.3V;3.6V 內置一次性鋰亞電池上電後，在外電充足時 VD3 不導通，系統優先消耗外置電池電量。當 VD2 後端電壓低於 2.9V 時，VD3 導通，內置一次性鋰亞電池開始供電，這一設計能在保障智能燃氣表使用壽命的同時，降低對一次性鋰亞電池電量的要求。
掉電中斷檢測電路：外部電池被拔出後，會向系統反饋一個中斷電平，燃氣表系統檢測到掉電事件後，執行掉電關閥、上報操作。圖中 R1、R4 組成分壓限流電路，由於該電流迴路在智能燃氣表整個生命周期中均處於導通狀態，因此 R1、R4 阻值通常選取 MΩ 級，以在實現功能的前提下，控制電路電流，降低整體功耗，電路電流 I = 6V/(R1 + R4)Ω。
外置電池供電電路採樣電路：為降低系統功耗，採樣電路搭配開關控制電路。當控制 VAD EN 埠為低電平時，PNP 三極體 VQ1、NPN 三極體 VQ2 均處於截止區，VAD 採樣點所在迴路不通，無需採樣時可降低電流消耗;當控制埠 VAD EN 為邏輯高電平時，VAD 採樣點所在迴路導通，通過分壓電阻 R3、R7 採樣，採樣完成後按比例還原為真實值，完成整個控制過程。
電壓轉換電路：本方案採用帶使能的 LDO，將 5.3V 電壓轉換為 3.6V，為 NB 模塊供電。以移遠 BC95 系列模組為例，其供電電壓為 3.1 - 4.2V，典型值 3.6V，且電源需提供 0.5A 電流。本方案選用 HE6236M5R，靜態功耗 2μA，峰值電流 0.5A。該電路後端搭配 VQ3、VQ8 組成的開關控制電路，在不需要通信時，NB PWR EN 埠為低電平，VQ3、VQ8 不導通，降低系統功耗;需要通信時，NB PWR EN 埠為高電平，VQ3、VQ8 導通，為 NB 模組供電。
超級電容 UPC1520 充放電電路：由 VD1、VD4、VD2、R9 和其他供電電路組成 UPC 的充放電電路。當內外電正常且電量充足時，VD1 導通，VD4、VD2 不導通，供電系統通過電壓轉換電路將電壓轉換為 3.6V 後，經 R9 為 UPC1520 充電，充滿電的 UPC 兩端電壓為 3.6V。當外置一次性鋰亞電池電量低，外電掉電後，VD2 導通，VD1、VD4 不導通，UPC1520 放電，為整個系統供電，滿足 NB 模組掉電上報、內置電機閥掉電關閥的需求。當 UPC1520 放電電壓低於 2.0V 時，可能導致性能衰減或內阻升高，為降低這一風險，設計增加 VD4 迴路。若外電一直不上電，UPC1520 兩端電壓與內置鋰亞電池兩端電壓的差值大於 0.7V 後，VD3、VD4 導通，內置鋰亞電池通過 VD4 為 UPC1520 供電，維持其兩端電壓，降低 UPC 出現饋電現象導致性能衰減或內阻升高的風險。
本方案採用 Keysight 的直流電源分析儀 N6705，搭配 Keysight 14585A 進行功耗測試。Keysight 14585A 控制和分析軟體可控制 N6705 的高級功能，並分析分析儀數據，其控制操作與 PC 類似，便於測試供電系統的電流變化和整體功耗情況。測試時，系統外電經電路轉換為 3.6V 後為 UPC1520 充電，這部分電能存儲在超級脈衝複合電容中，未在控制板上直接消耗，因此在評估控制器整體功耗時，需單獨評估 UPC 電路功耗。此外，此測試針對整個供電系統功耗，不包含通信模塊、計量模塊、紅外模塊等。
不帶 UPC 電路功耗測試：採用差值法測試功耗，以某一條件下測試的電流值為基準，增加或刪減某一電流迴路後再次測量電流值，前後兩次差值的絕對值即為該增加或刪減電路當前狀態下的消耗電流值。對於供電系統，需測試評估控制器在低功耗模式和非低功耗模式下的功耗。
以低功耗條件下測試的電流值為基準，斷開 R11，將 R5 與 VAD EN 相連一端通過調試線與 GND 相接，將 R70 與 NB PWR EN 相連一端也通過調試線與 GND 相接，N6705 通道正負極與 J1 相連，提供 6V 恆壓源，測量此時的電流值 aμA。
採用差值法測量電路④的功耗。在前一步基礎上，將 R5 與 VAD EN 相連一端通過調試線與 J2 的正極相接，N6705 通道正負極與 J1 相連，提供 6V 恆壓源，測量得此時的電流值 bμA，由此可計算出電路④工作時的功耗為 (b - a)μA。
採用差值法測量電路⑦的功耗。在第一步基礎上，將 R70 與 NB PWR EN 相連一端也通過調試線與 J2 的正極相接，N6705 通道正負極與 J1 相連，提供 6V 恆壓源，測量得此時的電流值 cμA，由此可計算出電路④工作時的功耗為 (c - a)μA。
UPC1520 電路測試
UPC1520 充電電路功耗測試：系統外電為 UPC1520 充電，這部分電能存儲在 UPC1520 中，未在控制板上直接消耗，因此需在 UPC1520 充滿電後評估其充電電路工作的功耗。在不帶 UPC1520 電路功耗測試步驟 1 的基礎上，焊接新的 UPC1520，將 N6705 通道正負極與 J1 相連，提供 6V 恆壓源，通過 PC 端軟體 14585A 檢測 UPC1520 從充電到充滿電過程中供電系統的電流大小，測出 UPC1520 充滿電後供電系統消耗的電流，測量此時的電流值 dμA，則 UPC1520 電路充滿電後消耗的電流值為 (d - a)μA。
UPC1520 放電電路功能測試：主要評估 UPC1520 充滿電的容量是否滿足掉電後的關閥和上報需求。利用 N6705 的電流負載功能檢測智能燃氣表生命周期中 UPC1520 的實際有效使用容量，評估是否滿足使用要求。本方案選用的 UPC1520 的充放電性能顯示，利用電壓轉換電路提供 3.6V 電壓給 UPC1520 充電，充滿電的容量≤140As，為保證 UPC1520 正常工作，測試的有效容量截止電壓為 2.5V。為測試評估有效容量是否滿足設計需求，需測試智能燃氣表內置電機閥的關閥電流和表具自動上報過程的電流消耗，以此評估 UPC1520 的最大放電電流是否滿足要求，並作為負載電流的設置依據。從隨機選取的量產智能燃氣表樣本數據來看，掉電後一次關閥上報操作需消耗電量大於 0.3mAh。將一隻新的 UPC1520 的正負電極與電源分析儀 N6705 通道正負極相連，以 25mA 恆流源，限壓 3.6V 給 UPC1520 充滿電，之後將 N6705 通道設置為 500mA 恆流負載模式，讓 UPC1520 放電至 2.5V 截止電壓，測得按最大連續放電電流的有效功耗為 14.43mAh，放電時長 103.9s。數據表明，14.43mAh 遠大於一次關閥上報操作需消耗電量 0.3mAh，且實際使用中，智能燃氣表關閥、上報操作消耗電量小於按持續最大放電 500mA 放電所消耗的電量，即 UPC1520 存儲的電量有足夠餘量滿足掉電後的關閥和自動上報，即便信號不良也可多次上報。
綜上所述，通過對智能燃氣表供電系統電路原理的深入分析、供電系統功耗的精確測試，以及超級脈衝複合電容 UPC1520 放電容量的全面評估，所設計的供電系統能很好地滿足 NB-IoT 智能燃氣表掉電後的關閥和自動上報操作。同時，低功耗設計也保障了智能燃氣表的使用壽命要求，契合 2025 年智能燃氣表行業對穩定、低功耗供電系統的需求，有望推動智能燃氣表行業的進一步發展。
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