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(shu)出(chu)。為(wei)了(le)實(shi)現(xian)高(gao)效(xiao)率(lv)的(de)設(she)計(ji)，需(xu)要(yao)運(yun)用(yong)很(hen)多(duo)知(zhi)識(shi)並(bing)進(jin)行(xing)大(da)量(liang)測(ce)量(liang)。小(xiao)型(xing)物(wu)聯(lian)網(wang)公(gong)司(si)通(tong)常(chang)很(hen)難(nan)獲(huo)得(de)昂(ang)貴(gui)的(de)測(ce)量(liang)設(she)備(bei)，因(yin)此(ci)本(ben)文(wen)介(jie)紹(shao)兩(liang)種(zhong)能(neng)夠(gou)幫(bang)助(zhu)用(yong)戶(hu)實(shi)現(xian)廉(lian)價(jia)且(qie)快(kuai)速(su)設(she)計(ji)的(de)實(shi)用(yong)測(ce)量(liang)方(fang)法(fa)。

 

案例一：計算目標係統在整個電池壽命期間的能效值，幫助設計人員選出效率最高的DC/DC轉換器和電感器。

案例二：通過使用兩個Otii工具，在整個工作範圍內利用不同電感器對一個或多個DC/DC轉換器進行全麵特征化。最終，設計人員可以選擇最佳組合以獲得最佳電池性能。

 

測量方案設置

 

案例一

 

Qoitech AB的Otii-Arc-001（以下簡稱為Otii）充當電池

，掃描電壓範圍為1.5V到0.9V。通過將來自DC/DC轉換器的輸出能量（Otii擴展端口ADC測量電流和電壓）除以送到DC/DC轉換器的輸入能量（Otii主電流和電壓）而得到效率。負載為DUT（被測設備，即目標係統）。務必注意
，測量時間應足夠長，以確保算得正確的平均值
，稍後將對此加以討論。

 

圖1：案例一的測量設置。（圖片來源：Qoitech AB）

 

對於圖1所示設置，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。總效率值是通過加權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%的時間處於1.5V，8%時間處於1.4V
，等等。這不完全正確，但對這個案例來講是適當的估計。

 

圖2：AAA電池放電曲線。（圖片來源：QoitechAB）

 

案例二

 

一個供電Otii充當電池，掃描電壓從1.5V到0.9V。這個供電Otii也負責測量。另一個Otii充當可編程恒流負載，從1mA開始，然後是3mA、5mA、10mA、30mA、50mA，最後到90mA（DC/DC轉換器上限為100mA）。

 

圖3：案例2的測量設置。（圖片來源：QoitechAB）

 

供電Otii通過將輸出能量（Otii擴展端口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，但由於Otii能計算並顯示能量，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。這裏不討論這種方法，原因是電流相當低，而且連接Otii所用的電纜很短，電阻很小。

 

兩個Otii（或所連接的多個Otii）及所有測量結果（主電流
、主電壓

、擴展端口ADC電流、擴展端口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生的數據。

測量結果分析

 

這些案例中使用了三種不同的Texas Instruments DC/DC轉換器。

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10x 30秒 = 5分鍾。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，隻需將輸出能量除以輸入能量即可
，然後根據案例一測量設置中的說明對該效率值進行加權。圖5為所有三個DC/DC轉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表進行了展示。

 

使用小型4.7μH片式電感器時，三個DC/DC轉換器的性能幾乎相同。為了繼續研究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電感器對於這種應用而言太大
，但了解相應的性能很有意思。

 

使用與之前相同的設置，選擇TPS61097A-33DBVT作為DC/DC轉換器，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）

 

結果同預期一樣
，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轉換器的特性
，使用案例二來獲得DC/DC轉換器在一係列輸入電壓和負載下更深入的特性。

 

首先，圖7顯示了22μH大電感對應的測量結果。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，然後是3mA、5mA、10mA、30mA、50mA，最後是90mA。對所有電池電壓重複此操作。

 

從圖7中可以看出
，對於較低的輸入電壓，DC/DC無法處理90mA。DC/DC無法針對這些低電壓進行調節

，並開始振蕩。

 

數據存儲在 .csv文件中，供Matlab導入以便進行分析和繪圖。圖8繪出了效率與輸出電流的關係。

 

圖8：顯示不同電感對應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轉換器在不同負載條件下的特性。

測試案例總結

 

Otii是一個非常有用的工具
，可以輕鬆分析DC/DC轉換器的效率，既適合在目標係統中使用，也可用來實現完整的特征化。

 

在本文件分析所采用的簡單係統中，三種TI DC/DC轉換器的性能非常相似；之所以選擇TPS61097A-33DBVT，隻是因為它采用了SOT23-5封裝。關於電感器選擇，應選擇12μH電感器
，因為它具有更高的效率，並且有足夠的空間來使用它。

 

本文中提及的DC/DC轉換器和電感器的數量很少
，但設計人員可以根據此分析擴展到自己喜歡的元器件。

 

來源：DigiKey  作者： Bill Schweber