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【导读】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。本文将介绍两种能够帮助用户实现廉价且快速设计的实用测量方法。
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在以下实例中，我们使用了一个1.5V碱性电池来获得3.3V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，因此本文介绍两种能够帮助用户实现廉价且快速设计的实用测量方法。
7 f( U7 g$ y# Z4 G r案例一：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。
9 b( F$ b; m; g V案例二：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。
& H; L6 G& n/ [8 d+ u测量方案设置
: l+ ^- Z8 r! }' Q0 p案例一 Qoitech AB的Otii-Arc-001（以下简称为Otii）充当电池，扫描电压范围为1.5V到0.9V。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。
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图1：案例一的测量设置。（图片来源：Qoitech AB） ( Y7 D7 P/ h4 p# p; k% ] H- `
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，电池电压估计会在9%的时间处于1.5V，8%时间处于1.4V，等等。这不完全正确，但对这个案例来讲是适当的估计。 9 ^# n. f& ]$ m' I6 m
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图2：AAA电池放电曲线。（图片来源：QoitechAB） $ R, S8 c* a; G* [6 _
案例二
, t( z. k! E# A; { _一个供电Otii充当电池，扫描电压从1.5V到0.9V。这个供电Otii也负责测量。另一个Otii充当可编程恒流负载，从1mA开始，然后是3mA、5mA、10mA、30mA、50mA，最后到90mA（DC/DC转换器上限为100mA）。 7 g5 o; `9 ?0 Y. {- y, {1 J
1 _/ P) y( g c$ u# Y0 E. V4 {图3：案例2的测量设置。（图片来源：QoitechAB） 9 o Y4 h X7 B
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。
& u5 G$ r, y r- b/ h T& OOtii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。 / S+ `: \1 g4 S2 R6 N1 c
测量结果分析
, p1 z0 F0 ?8 ?6 ?3 H& ?! R这些案例中使用了三种不同的Texas Instruments DC/DC转换器。 TPS61097A-33DBVT TLV61220DBVR TPS61221DCKT 如前所述，测量的是DUT的10个周期，即每个电池电压持续10x 30秒 = 5分钟。图4显示了TPS91097A-33DVBTDC/DC的屏幕截图。 3 H3 [7 ~* d( o* n
- p! Y* B$ k- a7 Z1 u/ g图4：案例一Otii测量，TPS91097A-33DVBT。（图片来源：Qoitech AB） 5 l a% t9 d d) ?8 E t2 Y
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，然后根据案例一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。 & m2 S/ R$ e5 v2 l7 H
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图5：不同DC/DC的效率计算。（图片来源：Qoitech AB）
* Y, e, b& ~4 t3 o/ g) _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。 , {2 C$ Y$ b8 u$ f6 P* j
使用小型4.7μH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。测试中选择了三种不同的Bourns电感器和一种Murata电感器。
" Z( V7 G+ b8 U5 x+ p, h; p. C! Q4.7 μH (Murata) 4.7 μH (Bourns) 12 μH (Bourns) 22 μH (Bourns) 22μH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。 & M. p2 \9 z" F9 n
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）。
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6 ^) o+ n+ v; J* F! D( f图6：不同电感器的效率计算。（图片来源：Qoitech AB） 2 C( G( N) l3 U7 v( v
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，22μH的大电感器是不可取的。 4 u1 V" u9 a( ]' E
为了更多地了解DC/DC转换器的特性，使用案例二来获得DC/DC转换器在一系列输入电压和负载下更深入的特性。 9 e* m! R, p) T- O+ J, _
首先，图7显示了22μH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。 1 G+ v, I0 o% o1 y, O* @6 V
' `$ I6 n5 \: e( L图7：案例二，使用22μH大电感的TPS61097A-33DVBT Otii测量。（图片来源：Qoitech AB）
5 N" U* h0 O; o7 |受电Otii从吸收1mA开始，然后是3mA、5mA、10mA、30mA、50mA，最后是90mA。对所有电池电压重复此操作。
) y/ J+ r$ s' r/ O8 @2 w7 O从图7中可以看出，对于较低的输入电压，DC/DC无法处理90mA。DC/DC无法针对这些低电压进行调节，并开始振荡。
8 h4 }" Z: Q% L# H2 m7 @ J9 j1 E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。 . @/ H- d: c6 c K" j
' b, ^ p: K7 c3 y: k图8：显示不同电感对应DC/DC效率的Matlab图形（图片来源：Qoitech AB）
# c- z( R" w) e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。 / H7 a, s/ q$ x+ n5 J8 I4 ]
测试案例总结 % {' g* j1 c5 T4 ^! d- k5 k9 [
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。
2 [/ i! ?& d2 I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12μH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。
7 p% P' }3 S1 N5 H3 {本文中提及的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。
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发表于 2019-8-20 10:36
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