【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。總效率值是通過加權(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也負責(zé)測量。另一個Otii充當(dāng)可編程恒流負載，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(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)此分析擴展到自己喜歡的元器件。
來源：DigiKey 作者： Bill Schweber
