随着物联网技术的飞速发展，智能燃气表在燃气行业的应用愈发广泛。在 2025 年，伴随 “煤改气” 工程的持续推进和天然气用量的逐年递增，智能燃气表市场需求依旧旺盛，尤其是 NB-IoT 智能燃气表，凭借其技术成熟、抄表便捷、功耗低等优势，逐渐成为市场主流。在此背景下，设计一套稳定可靠、低功耗的供电系统，对保障智能燃气表全生命周期的稳定运行，显得尤为重要。本文将围绕 NB-IoT 智能燃气表低功耗供电系统的设计与测试展开论述。
智能燃气表常见的供电方式，由外置供电与内置供电两部分组成。《2025-2030年全球及中国智能燃气表行业市场现状调研及发展前景分析报告》指出，外置供电部分由 4 节 1.5V 碱性电池串联而成，内置供电部分则采用一次性锂亚电池，形成外保内的供电模式。当内、外电同时供电时，4 节外置碱性电池为控制板各模块供电;外电拔除后，一次性锂亚电池接管供电任务。
为确保 NB 模组在外电掉电时仍能稳定通信，提升通信成功率，系统引入超级脉冲复合电容 UPC1520 设计充放电电路。回路导通时，电池与超级电容共同提供负载电流;回路断开时，电池为超级电容充电。超级电容器既能补偿电池电流，减轻电池输出大电流的压力，降低电池端电压下降幅度与内部损耗，延长电池寿命，还能在外置电池取出后，依靠 UPC1520 储存的电量，实现智能燃气表掉电后的关阀和通信上报功能。
智能燃气表供电系统由内置电源供电端口、外置电源供电端口、UPC 充放电电路、掉电检测电路、采样电路、电压转换电路和可控制开关电路构成。
电源供电端口电路：外置电源供电端口和内置电源供电端口分别设有单向二极管 VD1、VD3，本设计选用硅二极管，压降约 0.7V。6V 外置电源上电后，VD1 导通，后端电压约 5.3V;3.6V 内置一次性锂亚电池上电后，在外电充足时 VD3 不导通，系统优先消耗外置电池电量。当 VD2 后端电压低于 2.9V 时，VD3 导通，内置一次性锂亚电池开始供电，这一设计能在保障智能燃气表使用寿命的同时，降低对一次性锂亚电池电量的要求。
掉电中断检测电路：外部电池被拔出后，会向系统反馈一个中断电平，燃气表系统检测到掉电事件后，执行掉电关阀、上报操作。图中 R1、R4 组成分压限流电路，由于该电流回路在智能燃气表整个生命周期中均处于导通状态，因此 R1、R4 阻值通常选取 MΩ 级，以在实现功能的前提下，控制电路电流，降低整体功耗，电路电流 I = 6V/(R1 + R4)Ω。
外置电池供电电路采样电路：为降低系统功耗，采样电路搭配开关控制电路。当控制 VAD EN 端口为低电平时，PNP 三极管 VQ1、NPN 三极管 VQ2 均处于截止区，VAD 采样点所在回路不通，无需采样时可降低电流消耗;当控制端口 VAD EN 为逻辑高电平时，VAD 采样点所在回路导通，通过分压电阻 R3、R7 采样，采样完成后按比例还原为真实值，完成整个控制过程。
电压转换电路：本方案采用带使能的 LDO，将 5.3V 电压转换为 3.6V，为 NB 模块供电。以移远 BC95 系列模组为例，其供电电压为 3.1 - 4.2V，典型值 3.6V，且电源需提供 0.5A 电流。本方案选用 HE6236M5R，静态功耗 2μA，峰值电流 0.5A。该电路后端搭配 VQ3、VQ8 组成的开关控制电路，在不需要通信时，NB PWR EN 端口为低电平，VQ3、VQ8 不导通，降低系统功耗;需要通信时，NB PWR EN 端口为高电平，VQ3、VQ8 导通，为 NB 模组供电。
超级电容 UPC1520 充放电电路：由 VD1、VD4、VD2、R9 和其他供电电路组成 UPC 的充放电电路。当内外电正常且电量充足时，VD1 导通，VD4、VD2 不导通，供电系统通过电压转换电路将电压转换为 3.6V 后，经 R9 为 UPC1520 充电，充满电的 UPC 两端电压为 3.6V。当外置一次性锂亚电池电量低，外电掉电后，VD2 导通，VD1、VD4 不导通，UPC1520 放电，为整个系统供电，满足 NB 模组掉电上报、内置电机阀掉电关阀的需求。当 UPC1520 放电电压低于 2.0V 时，可能导致性能衰减或内阻升高，为降低这一风险，设计增加 VD4 回路。若外电一直不上电，UPC1520 两端电压与内置锂亚电池两端电压的差值大于 0.7V 后，VD3、VD4 导通，内置锂亚电池通过 VD4 为 UPC1520 供电，维持其两端电压，降低 UPC 出现馈电现象导致性能衰减或内阻升高的风险。
本方案采用 Keysight 的直流电源分析仪 N6705，搭配 Keysight 14585A 进行功耗测试。Keysight 14585A 控制和分析软件可控制 N6705 的高级功能，并分析分析仪数据，其控制操作与 PC 类似，便于测试供电系统的电流变化和整体功耗情况。测试时，系统外电经电路转换为 3.6V 后为 UPC1520 充电，这部分电能存储在超级脉冲复合电容中，未在控制板上直接消耗，因此在评估控制器整体功耗时，需单独评估 UPC 电路功耗。此外，此测试针对整个供电系统功耗，不包含通信模块、计量模块、红外模块等。
不带 UPC 电路功耗测试：采用差值法测试功耗，以某一条件下测试的电流值为基准，增加或删减某一电流回路后再次测量电流值，前后两次差值的绝对值即为该增加或删减电路当前状态下的消耗电流值。对于供电系统，需测试评估控制器在低功耗模式和非低功耗模式下的功耗。
以低功耗条件下测试的电流值为基准，断开 R11，将 R5 与 VAD EN 相连一端通过调试线与 GND 相接，将 R70 与 NB PWR EN 相连一端也通过调试线与 GND 相接，N6705 通道正负极与 J1 相连，提供 6V 恒压源，测量此时的电流值 aμA。
采用差值法测量电路④的功耗。在前一步基础上，将 R5 与 VAD EN 相连一端通过调试线与 J2 的正极相接，N6705 通道正负极与 J1 相连，提供 6V 恒压源，测量得此时的电流值 bμA，由此可计算出电路④工作时的功耗为 (b - a)μA。
采用差值法测量电路⑦的功耗。在第一步基础上，将 R70 与 NB PWR EN 相连一端也通过调试线与 J2 的正极相接，N6705 通道正负极与 J1 相连，提供 6V 恒压源，测量得此时的电流值 cμA，由此可计算出电路④工作时的功耗为 (c - a)μA。
UPC1520 电路测试
UPC1520 充电电路功耗测试：系统外电为 UPC1520 充电，这部分电能存储在 UPC1520 中，未在控制板上直接消耗，因此需在 UPC1520 充满电后评估其充电电路工作的功耗。在不带 UPC1520 电路功耗测试步骤 1 的基础上，焊接新的 UPC1520，将 N6705 通道正负极与 J1 相连，提供 6V 恒压源，通过 PC 端软件 14585A 检测 UPC1520 从充电到充满电过程中供电系统的电流大小，测出 UPC1520 充满电后供电系统消耗的电流，测量此时的电流值 dμA，则 UPC1520 电路充满电后消耗的电流值为 (d - a)μA。
UPC1520 放电电路功能测试：主要评估 UPC1520 充满电的容量是否满足掉电后的关阀和上报需求。利用 N6705 的电流负载功能检测智能燃气表生命周期中 UPC1520 的实际有效使用容量，评估是否满足使用要求。本方案选用的 UPC1520 的充放电性能显示，利用电压转换电路提供 3.6V 电压给 UPC1520 充电，充满电的容量≤140As，为保证 UPC1520 正常工作，测试的有效容量截止电压为 2.5V。为测试评估有效容量是否满足设计需求，需测试智能燃气表内置电机阀的关阀电流和表具自动上报过程的电流消耗，以此评估 UPC1520 的最大放电电流是否满足要求，并作为负载电流的设置依据。从随机选取的量产智能燃气表样本数据来看，掉电后一次关阀上报操作需消耗电量大于 0.3mAh。将一只新的 UPC1520 的正负电极与电源分析仪 N6705 通道正负极相连，以 25mA 恒流源，限压 3.6V 给 UPC1520 充满电，之后将 N6705 通道设置为 500mA 恒流负载模式，让 UPC1520 放电至 2.5V 截止电压，测得按最大连续放电电流的有效功耗为 14.43mAh，放电时长 103.9s。数据表明，14.43mAh 远大于一次关阀上报操作需消耗电量 0.3mAh，且实际使用中，智能燃气表关阀、上报操作消耗电量小于按持续最大放电 500mA 放电所消耗的电量，即 UPC1520 存储的电量有足够余量满足掉电后的关阀和自动上报，即便信号不良也可多次上报。
综上所述，通过对智能燃气表供电系统电路原理的深入分析、供电系统功耗的精确测试，以及超级脉冲复合电容 UPC1520 放电容量的全面评估，所设计的供电系统能很好地满足 NB-IoT 智能燃气表掉电后的关阀和自动上报操作。同时，低功耗设计也保障了智能燃气表的使用寿命要求，契合 2025 年智能燃气表行业对稳定、低功耗供电系统的需求，有望推动智能燃气表行业的进一步发展。
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