在以下實(shí)例中，我們使用了一個(gè)1.5V堿性電池來獲得3.3V輸出。為了實(shí)現(xiàn)高效率的設(shè)計(jì)，需要運(yùn)用很多知識(shí)并進(jìn)行大量測(cè)量。小型物聯(lián)網(wǎng)公司通常很難獲得昂貴的測(cè)量設(shè)備，因此本文介紹兩種能夠幫助用戶實(shí)現(xiàn)廉價(jià)且快速設(shè)計(jì)的實(shí)用測(cè)量方法。

 

案例一：計(jì)算目標(biāo)系統(tǒng)在整個(gè)電池壽命期間的能效值，幫助設(shè)計(jì)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(gè)Otii工具，在整個(gè)工作范圍內(nèi)利用不同電感器對(duì)一個(gè)或多個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行全面特征化。最終，設(shè)計(jì)人員可以選擇最佳組合以獲得最佳電池性能。

 

測(cè)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(cè)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(cè)設(shè)備，即目標(biāo)系統(tǒng)）。務(wù)必注意，測(cè)量時(shí)間應(yīng)足夠長，以確保算得正確的平均值，稍后將對(duì)此加以討論。

 

圖1：案例一的測(cè)量設(shè)置。（圖片來源：Qoitech AB）

 

對(duì)于圖1所示設(shè)置，DUT每30秒測(cè)量一次溫度、濕度和光照，使用10個(gè)這樣的周期求取均值。總效率值是通過加權(quán)電池將保持在既定電壓電平的時(shí)間來計(jì)算，參見圖2。其中，電池電壓估計(jì)會(huì)在9%的時(shí)間處于1.5V，8%時(shí)間處于1.4V，等等。這不完全正確，但對(duì)這個(gè)案例來講是適當(dāng)?shù)墓烙?jì)。

 

圖2：AAA電池放電曲線。（圖片來源：QoitechAB）

 

案例二

 

一個(gè)供電Otii充當(dāng)電池，掃描電壓從1.5V到0.9V。這個(gè)供電Otii也負(fù)責(zé)測(cè)量。另一個(gè)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(cè)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(cè)量電流和電壓）除以輸入能量（Otii主電流和電壓）來測(cè)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(jì)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(cè)方法測(cè)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(gè)Otii（或所連接的多個(gè)Otii）及所有測(cè)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(huì)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(cè)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(cè)量的是DUT的10個(gè)周期，即每個(gè)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(cè)量，TPS91097A-33DVBT。（圖片來源：Qoitech AB）

 

Otii工具讓效率計(jì)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(cè)量設(shè)置中的說明對(duì)該效率值進(jìn)行加權(quán)。圖5為所有三個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器提供了一個(gè)概覽。

 

圖5：不同DC/DC的效率計(jì)算。（圖片來源：Qoitech AB）

 

此計(jì)算也可以使用lua腳本 (https://www.lua.org) 在Otii中自動(dòng)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(shí)，三個(gè)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(cè)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(duì)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(jì)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(duì)應(yīng)的測(cè)量結(jié)果。圖8顯示了對(duì)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(cè)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(duì)所有電池電壓重復(fù)此操作。

 

從圖7中可以看出，對(duì)于較低的輸入電壓，DC/DC無法處理90mA。DC/DC無法針對(duì)這些低電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，并開始振蕩。

 

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(duì)應(yīng)DC/DC效率的Matlab圖形（圖片來源：Qoitech AB）

 

這個(gè)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(cè)試案例總結(jié)

 

Otii是一個(gè)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(shí)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?yàn)樗捎昧薙OT23-5封裝。關(guān)于電感器選擇，應(yīng)選擇12μH電感器，因?yàn)樗哂懈叩男剩⑶矣凶銐虻目臻g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(jì)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