案例研究：特征化 TI DC/DC 轉(zhuǎn)換器

在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，擁有一個(gè)高效的電源管理系統(tǒng)，以最大限度利用電池能量是至關(guān)重要的。其中一個(gè)重要部分是，設(shè)計(jì)一個(gè)高效率的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，提升從電池到用電設(shè)備的電壓。在本實(shí)例中，我們使用一個(gè) 1.5 V 堿性電池來獲得 3.3 V 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，因此本文介紹兩種幫助實(shí)現(xiàn)廉價(jià)且快速的設(shè)計(jì)的方法。

1. 一是計(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。
2. 二是通過使用兩個(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)量設(shè)置

案例 1

Qoitech AB的Otii-Arc-001（以下簡稱為 Otii）充當(dāng)電池，掃描電壓范圍為 1.5 V 到 0.9 V。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 1 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，電池估計(jì)會(huì)在 9% 的時(shí)間處于 1.5 V 電壓，8% 時(shí)間處于 1.4 V 電壓，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：Qoitech AB）

案例 2

一個(gè)供電 Otii 充當(dāng)電池，掃描電壓從 1.5 V 到 0.9 V。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 1 mA 開始，然后是 3 mA、5 mA、10 mA、30 mA、50 mA，最后到 90 mA（DC/DC 轉(zhuǎn)換器上限為 100 mA）。

圖 3：案例 2 的測(cè)量設(shè)置。（圖片來源：Qoitech AB）

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)。

結(jié)果

這些案例中使用了三種不同的Texas InstrumentsDC/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) 10 x 30 秒 = 5 分鐘。圖 4 顯示了 TPS91097A-33DVBT DC/DC 的屏幕截圖。

圖 4：案例 1 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 1 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 4.7 μH 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。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)

22 μH 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，22 μH 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 2 來獲得 DC/DC 轉(zhuǎn)換器在一系列輸入電壓和負(fù)載下更深入的特征化。

首先，圖 7 顯示了 22 μH 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 2，使用 22 μH 大電感的 TPS61097A-33DVBT Otii 測(cè)量。（圖片來源：Qoitech AB）

受電 Otii 從吸收 1 mA 開始，然后是 3 mA、5 mA、10 mA、30 mA、50 mA，最后是 90 mA。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 90 mA。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。

Otii 腳本

這里有完整的Otii 腳本、Otii 項(xiàng)目文件、.csv 文件和 Matlab 代碼。

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?SOT23-5 封裝。關(guān)于電感器選擇，應(yīng)選擇 12 μH 電感器，因?yàn)樗哂懈叩男?，并且有足夠的空間來使用它。

本文中提到的 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。

如需更多信息，請(qǐng)查看Qoitech 的特性頁面。