案例研究：特征化 TI DC/DC 转换器

背景/问题

在物联网设备中，拥有一个高效的电源管理系统，以最大限度利用电池能量是至关重要的。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。在本实例中，我们使用一个 1.5 V 碱性电池来获得 3.3 V 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，因此本文介绍两种帮助实现廉价且快速的设计的方法。

1. 一是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。
2. 二是通过使用两个 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。

测量设置

案例 1

Qoitech AB 的 Otii-Arc-001（以下简称为 Otii）充当电池，扫描电压范围为 1.5 V 到 0.9 V。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。

图 1：案例 1 的测量设置。（图片来源：Qoitech AB）

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，电池估计会在 9% 的时间处于 1.5 V 电压，8% 时间处于 1.4 V 电压，等等。这不完全正确，但对这个案例来讲是适当的估计。

图 2：AAA 电池放电曲线。（图片来源：Qoitech AB）

案例 2

一个供电 Otii 充当电池，扫描电压从 1.5 V 到 0.9 V。这个供电 Otii 也负责测量。另一个 Otii 充当可编程恒流负载，从 1 mA 开始，然后是 3 mA、5 mA、10 mA、30 mA、50 mA，最后到 90 mA（DC/DC 转换器上限为 100 mA）。

图 3：案例 2 的测量设置。（图片来源：Qoitech AB）

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。

Otii 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。

结果

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 10 x 30 秒 = 5 分钟。图 4 显示了 TPS91097A-33DVBT DC/DC 的屏幕截图。

图 4：案例 1 Otii 测量，TPS91097A-33DVBT。（图片来源：Qoitech AB）

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 1 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。

图 5：不同 DC/DC 的效率计算。（图片来源：Qoitech AB）

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。

使用小型 4.7 μH 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。选择了三种不同的 Bourns 电感器和一种 Murata 电感器。

• 4.7 µH (Murata)
• 4.7 µH (Bourns)
• 12 µH (Bourns)
• 22 µH (Bourns)

22 μH 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。

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）。

图 6：不同电感器的效率计算。（图片来源：Qoitech AB）

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，22 μH 的大电感器是不可取的。

为了更多地了解 DC/DC 转换器的特性，使用案例 2 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征化。

首先，图 7 显示了 22 μH 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。

图 7：案例 2，使用 22 μH 大电感的 TPS61097A-33DVBT Otii 测量。（图片来源：Qoitech AB）

受电 Otii 从吸收 1 mA 开始，然后是 3 mA、5 mA、10 mA、30 mA、50 mA，最后是 90 mA。对所有电池电压重复此操作。

从图 7 中可以看出，对于较低的输入电压，DC/DC 无法处理 90 mA。DC/DC 无法针对这些低电压进行调节，并开始振荡。

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。

图 8：显示不同电感对应 DC/DC 效率的 Matlab 图形（图片来源：Qoitech AB）

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。

总结

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。

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 12 μH 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。

本文中提到的 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。

如需更多信息，请查看 Qoitech 的特性页面。