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便宜又快捷的物聯(lián)網(wǎng)DC/DC測量方案

發(fā)布時間:2019-03-13 責(zé)任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中,擁有一個高效的電源管理系統(tǒng),以最大限度地利用電池的能量是至關(guān)重要的。其中一個重要部分是,設(shè)計一個高效率的DC/DC轉(zhuǎn)換器,提升從電池到用電設(shè)備的電壓。本文將介紹兩種能夠幫助用戶實現(xiàn)廉價且快速設(shè)計的實用測量方法。
 
在以下實例中,我們使用了一個1.5V堿性電池來獲得3.3V輸出。為了實現(xiàn)高效率的設(shè)計,需要運用很多知識并進(jìn)行大量測量。小型物聯(lián)網(wǎng)公司通常很難獲得昂貴的測量設(shè)備,因此本文介紹兩種能夠幫助用戶實現(xiàn)廉價且快速設(shè)計的實用測量方法。
 
案例一:計算目標(biāo)系統(tǒng)在整個電池壽命期間的能效值,幫助設(shè)計人員選出效率最高的DC/DC轉(zhuǎn)換器和電感器。
案例二:通過使用兩個Otii工具,在整個工作范圍內(nèi)利用不同電感器對一個或多個DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行全面特征化。最終,設(shè)計人員可以選擇最佳組合以獲得最佳電池性能。
 
測量方案設(shè)置
 
案例一
 
Qoitech AB的Otii-Arc-001(以下簡稱為Otii)充當(dāng)電池,掃描電壓范圍為1.5V到0.9V。通過將來自DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出能量(Otii擴(kuò)展端口ADC測量電流和電壓)除以送到DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入能量(Otii主電流和電壓)而得到效率。負(fù)載為DUT(被測設(shè)備,即目標(biāo)系統(tǒng))。務(wù)必注意,測量時間應(yīng)足夠長,以確保算得正確的平均值,稍后將對此加以討論。
 
圖1:案例一的測量設(shè)置。(圖片來源:Qoitech AB)
 
對于圖1所示設(shè)置,DUT每30秒測量一次溫度、濕度和光照,使用10個這樣的周期求取均值??傂手凳峭ㄟ^加權(quán)電池將保持在既定電壓電平的時間來計算,參見圖2。其中,電池電壓估計會在9%的時間處于1.5V,8%時間處于1.4V,等等。這不完全正確,但對這個案例來講是適當(dāng)?shù)墓烙嫛?/div>
 
圖2:AAA電池放電曲線。(圖片來源:QoitechAB)
 
案例二
 
一個供電Otii充當(dāng)電池,掃描電壓從1.5V到0.9V。這個供電Otii也負(fù)責(zé)測量。另一個Otii充當(dāng)可編程恒流負(fù)載,從1mA開始,然后是3mA、5mA、10mA、30mA、50mA,最后到90mA(DC/DC轉(zhuǎn)換器上限為100mA)。
 
圖3:案例2的測量設(shè)置。(圖片來源:QoitechAB)
 
供電Otii通過將輸出能量(Otii擴(kuò)展端口ADC測量電流和電壓)除以輸入能量(Otii主電流和電壓)來測量效率。通常是將輸出電壓乘以輸出電流,再除以輸入電壓乘以輸入電流,但由于Otii能計算并顯示能量,所以使用能量要簡單得多。
 
Otii工具還支持使用SENSE+和SENSE-輸入,通過四端子檢測方法測量輸入和輸出電壓。這里不討論這種方法,原因是電流相當(dāng)?shù)停疫B接Otii所用的電纜很短,電阻很小。
 
兩個Otii(或所連接的多個Otii)及所有測量結(jié)果(主電流、主電壓、擴(kuò)展端口ADC電流、擴(kuò)展端口ADC電壓、SENSE+、SENSE-等)都會在同一窗口中提供,因此非常方便顯示所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。
測量結(jié)果分析
 
這些案例中使用了三種不同的Texas Instruments DC/DC轉(zhuǎn)換器。
TPS61097A-33DBVT
TLV61220DBVR
TPS61221DCKT
 
如前所述,測量的是DUT的10個周期,即每個電池電壓持續(xù)10x 30秒 = 5分鐘。圖4顯示了TPS91097A-33DVBTDC/DC的屏幕截圖。
 
圖4:案例一Otii測量,TPS91097A-33DVBT。(圖片來源:Qoitech AB)
 
Otii工具讓效率計算變得非常簡單,只需將輸出能量除以輸入能量即可,然后根據(jù)案例一測量設(shè)置中的說明對該效率值進(jìn)行加權(quán)。圖5為所有三個DC/DC轉(zhuǎn)換器提供了一個概覽。
 
圖5:不同DC/DC的效率計算。(圖片來源:Qoitech AB)
 
此計算也可以使用lua腳本 (https://www.lua.org) 在Otii中自動完成,但為了更加直觀,圖5使用Excel表進(jìn)行了展示。
 
使用小型4.7μH片式電感器時,三個DC/DC轉(zhuǎn)換器的性能幾乎相同。為了繼續(xù)研究DC/DC,使用不同的電感器來了解效率是否有所提高。測試中選擇了三種不同的Bourns電感器和一種Murata電感器。
4.7 µH (Murata)
4.7 µH (Bourns)
12 µH (Bourns)
22 µH (Bourns)
 
22μH電感器對于這種應(yīng)用而言太大,但了解相應(yīng)的性能很有意思。
 
使用與之前相同的設(shè)置,選擇TPS61097A-33DBVT作為DC/DC轉(zhuǎn)換器,電感器作為變量(圖6)。
 
圖6:不同電感器的效率計算。(圖片來源:Qoitech AB)
 
結(jié)果同預(yù)期一樣,電感器越大且其電阻越低,則DC/DC解決方案的效率越高。然而,22μH的大電感器是不可取的。
 
為了更多地了解DC/DC轉(zhuǎn)換器的特性,使用案例二來獲得DC/DC轉(zhuǎn)換器在一系列輸入電壓和負(fù)載下更深入的特性。
 
首先,圖7顯示了22μH大電感對應(yīng)的測量結(jié)果。圖8顯示了對其他電感的相同分析。
 
圖7:案例二,使用22μH大電感的TPS61097A-33DVBT Otii測量。(圖片來源:Qoitech AB)
 
受電Otii從吸收1mA開始,然后是3mA、5mA、10mA、30mA、50mA,最后是90mA。對所有電池電壓重復(fù)此操作。
 
從圖7中可以看出,對于較低的輸入電壓,DC/DC無法處理90mA。DC/DC無法針對這些低電壓進(jìn)行調(diào)節(jié),并開始振蕩。
 
數(shù)據(jù)存儲在 .csv文件中,供Matlab導(dǎo)入以便進(jìn)行分析和繪圖。圖8繪出了效率與輸出電流的關(guān)系。
 
圖8:顯示不同電感對應(yīng)DC/DC效率的Matlab圖形(圖片來源:Qoitech AB)
 
這個方法非常好,能夠查看DC/DC轉(zhuǎn)換器在不同負(fù)載條件下的特性。
測試案例總結(jié)
 
Otii是一個非常有用的工具,可以輕松分析DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率,既適合在目標(biāo)系統(tǒng)中使用,也可用來實現(xiàn)完整的特征化。
 
在本文件分析所采用的簡單系統(tǒng)中,三種TI DC/DC轉(zhuǎn)換器的性能非常相似;之所以選擇TPS61097A-33DBVT,只是因為它采用了SOT23-5封裝。關(guān)于電感器選擇,應(yīng)選擇12μH電感器,因為它具有更高的效率,并且有足夠的空間來使用它。
 
本文中提及的DC/DC轉(zhuǎn)換器和電感器的數(shù)量很少,但設(shè)計人員可以根據(jù)此分析擴(kuò)展到自己喜歡的元器件。
 
來源:DigiKey  作者: Bill Schweber  
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