案例研究:特征化 TI DC/DC 转换器

作者:Björn Rosqvist

背景/问题

在物联网设备中,拥有一个高效的电源管理系统,以最大限度地利用电池的能量是至关重要的。其中一个重要部分是,设计一个高效率的 DC/DC 转换器,提升从电池到用电设备的电压。本以下实例中,我们使用了一个 1.5 V 碱性电池来获得 3.3 V 输出。为了实现高效率的设计,需要运用很多知识并进行大量测量。小型物联网公司通常很难获得昂贵的测量设备,因此本文介绍两种帮助实现廉价且快速的设计的方法。

  1. 一是计算目标系统在整个电池寿命期间的能效值,帮助设计人员选出效率最高的 DC/DC 转换器和电感器。
  2. 二是通过使用两个 Otii 工具,在整个工作范围内利用不同电感器对一个或多个 DC/DC 转换器进行全面特征化。最终,设计人员可以选择最佳组合以获得最佳电池性能。

测量设置

案例 1

Qoitech ABOtii-Arc-001(以下简称为 Otii)充当电池,扫描电压范围为 1.5 V 到 0.9 V。通过将来自 DC/DC 转换器的输出能量(Otii 扩展端口 ADC 测量电流和电压)除以送到 DC/DC 转换器的输入能量(Otii 主电流和电压)而得到效率。负载为 DUT(被测设备,即目标系统)。务必注意,测量时间应足够长,以确保算得正确的平均值,稍后将对此加以讨论。

案例 1 的 Qoitech 测量设置图片

图 1:案例 1 的测量设置。(图片来源:Qoitech AB)

对于图 1 所示设置,DUT 每 30 秒测量一次温度、湿度和光照,使用 10 个这样的周期求取均值。总效率值是通过加权电池将保持在既定电压电平的时间来计算,参见图 2,其中,电池估计会在 9% 的时间处于 1.5 V 电压,8% 时间处于 1.4 V 电压,等等。这不完全正确,但对这个案例来讲是适当的估计。

AAA 电池放电曲线图

图 2:AAA 电池放电曲线。(图片来源:Qoitech AB)

案例 2

一个供电 Otii 充当电池,扫描电压从 1.5 V 到 0.9 V。这个供电 Otii 也负责测量。另一个 Otii 充当可编程恒流负载,从 1 mA 开始,然后是 3 mA、5 mA、10 mA、30 mA、50 mA,最后到 90 mA(DC/DC 转换器上限为 100 mA)。

案例 2 的 Qoitech 测量设置图片

图 3:案例 2 的测量设置。(图片来源:Qoitech AB)

供电 Otii 通过将输出能量(Otii 扩展端口 ADC 测量电流和电压)除以输入能量(Otii 主电流和电压)来测量效率。通常是将输出电压乘以输出电流,再除以输入电压乘以输入电流,但由于 Otii 能计算并显示能量,所以使用能量要简单得多。

Otii 工具还支持使用 SENSE+ 和 SENSE- 输入,通过四端子检测方法测量输入和输出电压。这里不讨论这种方法,原因是电流相当低,而且连接 Otii 所用的电缆很短,电阻很小。

两个 Otii(或所连接的多个 Otii)及所有测量结果(主电流、主电压、扩展端口 ADC 电流、扩展端口 ADC 电压、SENSE+、SENSE- 等)都会在同一窗口中提供,因此非常方便显示所产生的数据。

结果

这些案例中使用了三种不同的 Texas Instruments DC/DC 转换器。

如前所述,测量的是 DUT 的 10 个周期,即每个电池电压持续 10 x 30 秒 = 5 分钟。图 4 显示了 TPS91097A-33DVBT DC/DC 的屏幕截图。

Qoitech 案例 1 Otii 测量 TPS91097A-33DVBT 图片

图 4:案例 1 Otii 测量,TPS91097A-33DVBT。(图片来源:Qoitech AB)

Otii 工具让效率计算变得非常简单,只需将输出能量除以输入能量即可,然后根据案例 1 测量设置中的说明对该效率值进行加权。图 5 为所有三个 DC/DC 转换器提供了一个概览。

不同 DC/DC 的效率计算表

图 5:不同 DC/DC 的效率计算。(图片来源:Qoitech AB)

此计算也可以使用 lua 脚本 (https://www.lua.org) 在 Otii 中自动完成,但为了更加直观,图 5 使用 Excel 表进行了展示。

使用小型 4.7 μH 片式电感器时,三个 DC/DC 转换器的性能几乎相同。为了继续研究 DC/DC,使用不同的电感器来了解效率是否有所提高。选择了三种不同的 Bourns 电感器和一种 Murata 电感器。

22 μH 电感器对于这种应用而言太大,但了解相应的性能很有意思。

使用与之前相同的设置,选择 TPS61097A-33DBVT 作为 DC/DC 转换器,电感器作为变量(图 6)。

不同电感器的效率计算表

图 6:不同电感器的效率计算。(图片来源:Qoitech AB)

结果同预期一样,电感器越大且其电阻越低,则 DC/DC 解决方案的效率越高。然而,22 μH 的大电感器是不可取的。

为了更多地了解 DC/DC 转换器的特性,使用案例 2 来获得 DC/DC 转换器在一系列输入电压和负载下更深入的特征化。

首先,图 7 显示了 22 μH 大电感对应的测量结果。图 8 显示了对其他电感的相同分析。

显示不同电感对应 DC/DC 效率的 Matlab 图形图片

图 7:案例 2,使用 22 μH 大电感的 TPS61097A-33DVBT Otii 测量。(图片来源:Qoitech AB)

受电 Otii 从吸收 1 mA 开始,然后是 3 mA、5 mA、10 mA、30 mA、50 mA,最后是 90 mA。对所有电池电压重复此操作。

从图 7 中可以看出,对于较低的输入电压,DC/DC 无法处理 90 mA。DC/DC 无法针对这些低电压进行调节,并开始振荡。

数据存储在 .csv 文件中,供 Matlab 导入以便进行分析和绘图。图 8 绘出了效率与输出电流的关系。

显示不同电感对应 DC/DC 效率的 Matlab 图形图片

图 8:显示不同电感对应 DC/DC 效率的 Matlab 图形(图片来源:Qoitech AB)

这个方法非常好,能够查看 DC/DC 转换器在不同负载条件下的特性。

Otii 脚本

这里有完整的 Otii 脚本、Otii 项目文件、.csv 文件和 Matlab 代码

总结

Otii 是一个非常有用的工具,可以轻松分析 DC/DC 转换器的效率,既适合在目标系统中使用,也可用来实现完整的特征化。

在本文件分析所采用的简单系统中,三种 TI DC/DC 转换器的性能非常相似;之所以选择 TPS61097A-33DBVT,只是因为它采用了 SOT23-5 封装。关于电感器选择,应选择 12 μH 电感器,因为它具有更高的效率,并且有足够的空间来使用它。

本文中提到的 DC/DC 转换器和电感器的数量很少,但设计人员可以根据此分析扩展到自己喜欢的元器件。

如需更多信息,请查看 Qoitech 的特性页面

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关于此作者

Björn Rosqvist

BjörnRosqvist  是瑞典一家初创公司 Qoitech 的硬件总工程师,Otii 就是该公司生产的新型破坏性功率分析仪。Björn 拥有瑞典林雪平大学应用物理与电子工程理学硕士学位。他一直在电力电子、汽车和电信领域工作,同时拥有大公司和初创企业经历。在过去 13 年里,他一直从事消费电子产品的设计和验证工作。