個案研究：瞭解 TI DC/DC 轉換器的特性

背景／問題

在 IoT 裝置中，擁有高效率的電源管理系統相當重要，以便盡可能從電池獲取最多能量。而在這當中，有個重要環節是設計高效率的 DC/DC 轉換器，將電池的電壓提升，以供耗電產品使用。在此範例中，我們使用一顆 1.5 V 的鹼性電池獲得 3.3 V 的輸出電壓。如要設計出高效率產品，就必須具備大量知識並進行多次量測。小型物聯網公司使用昂貴量測設備的機會往往受限，因此本文將介紹兩種便宜又有效的設計訣竅。

1. 這些訣竅有助於計算目標系統於整個電池續航期間的效率值，協助設計人員選擇最有效率的 DC/DC 轉換器與電感。
2. 也有助於讓一或多個 DC/DC 在搭配不同電感下，使用兩個 Otii 在整個工作範圍內發揮完整特性。最後，設計人員即可找出最佳組合，達成電池最佳效能。

量測設定

範例 1

Qoitech AB 的 Otii-Arc-001 (本文以下簡稱 Otii) 充當電池，掃頻電壓從 1.5 V 降至 0.9 V，並將 DC/DC 轉換器的輸出電能 (Otii 擴充埠 ADC 量測電流與電壓) 除以 DC/DC 轉換器的輸入電能 (Otii 主電流與電壓)，以此方式測量效率值。負載為 DUT (受測裝置，亦即目標系統)。請務必留意，應進行充分的量測，確保算出的平均值正確；此問題將於本文後敘。

圖 1：範例 1 的量測設定。(圖片來源：Qoitech AB)

以圖 1 中顯示的設定來說，DUT 每 30 秒測量一次溫度、濕度與光線，然後以 10 次這樣的循環計算平均值。總效率值的計算，會針對電池可保持在指定電壓位準下的時間長度進行加權，如圖 2 所示；根據圖 2 估計，電池可在 9% 的時間內保持在 1.5 V，8% 的時間內保持在 1.4 V，以此類推。雖然這並不完全準確，但是對此範例而言，仍是恰當的估計。

圖 2：AAA 電池的放電曲線。(圖片來源：Qoitech AB)

範例 2

一個流出 Otii 充當電池，掃頻電壓從 1.5 V 降至 0.9 V，是負責進行量測的單元；另一個 Otii 則充當可編程的恆定電流負載，電流負載涵蓋 1 mA、3 mA、5 mA、10 mA、30 mA、50 mA，最後達 90 mA (DC/DC 上限為 100 mA)。

圖 3：範例 2 的量測設定。(圖片來源：Qoitech AB)

流出 Otii 測量效率的方式，是將輸出電能 (Otii 擴充埠 ADC 量測電流與電壓) 除以輸入電能 (Otii 主電流與電壓)。通常輸出電壓乘上輸出電流後的乘積，將除以輸入電壓與輸入電流的乘積，但是由於 Otii 會計算並顯示電能，因此使用這種方式要簡單得多。

Otii 工具也可透過 SENSE+ 與 SENSE- 輸入值，支援以四個端子測量輸入與輸出電壓值的功能。由於電流相當低，且 Otii 是與低電阻的短纜線連接，因此不在本文討論。

兩個 Otii (或所有已連接的 Otii)，以及所有量測值 (主電流、主電壓、擴充埠 ADC 電流、擴充埠 ADC 電壓、SENSE+、SENSE- 等) 都在同一視窗中顯示，所以可輕鬆一覽產生的資料。

結果

在這些範例中，使用了三款不同的 Texas Instruments DC/DC 轉換器。

• TPS61097A-33DBVT
• TLV61220DBVR
• TPS61221DCKT

如先前所述，量測值取自 DUT 的 10 個量測循環，亦即每個電池電壓的量測時間為 10 x 30 秒 = 5 分鐘i。圖 4 顯示 TPS91097A-33DVBT DC/DC 轉換器的螢幕擷取畫面。

圖 4：範例 1 Otii 量測，轉換器為 TPS91097A-33DVBT。(圖片來源：Qoitech AB)

Otii 工具會將輸出電能除以輸入電能，可相當輕鬆計算效率。此效率值接著會依照範例 1 的量測設定說明，進行加權計算。可在圖 5 一覽總共三款 DC/DC 轉換器。

圖 5：不同 DC/DC 轉換器的效率計算。(圖片來源：Qoitech AB)

此計算作業亦可由 Otii 工具以 lua 指令碼 (https://www.lua.org) 自動執行，然而為了能更清楚地顯示，圖 5 是以 Excel 軟體顯示。

使用小型 4.7 µH 晶片電感時，三款 DC/DC 轉換器的效能幾乎相同。為了繼續研究 DC/DC，會使用不同的電感來觀察效率是否提高。此處選用三款不同的 Bourns 電感與一款 Murata 電感。

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

對此應用而言，22 µH 電感太大，不過效能值得觀察。

此設定與先前一樣，都選用 TPS61097A-33DBVT 當作 DC/DC 轉換器，並以電感為變數 (圖 6)。

圖 6：不同電感的效率計算。(圖片來源：Qoitech AB)

結果與預期相符：電感越大且電阻值越低，DC/DC 解決方案的效率就越高。然而，如此大型的 22 µH 電感並非可行方案。

為了進一步了解 DC/DC 轉換器的行為，透過範例 2 可取得 DC/DC 轉換器在輸入電壓與負載範圍內的深入特性。

首先，圖 7 顯示大型 22 µH 電感的量測結果。圖 8 則顯示對其他電感進行相同分析的結果。

圖 7：範例 2，TPS61097A-33DVBT 搭配大型 22 µH 電感下進行的 Otii 量測。(圖片來源：Qoitech AB)

流入 Otii 的流入電流依序為 1 mA、3 mA、5 mA、10 mA、30 mA、50 mA，最後達到 90 mA。針對所有電池電壓重複上述程序。

如圖 7 所示，DC/DC 轉換器無法在更低的輸入電壓下處理 90 mA 的電流。DC/DC 轉換器無法在這些低電壓下進行穩壓，而且會開始振盪。

資料以 .csv 檔儲存，然後匯入到 Matlab 中以輕鬆進行分析與製圖。效率與輸出電流的關係繪製成圖表，如圖 8 所示。

圖 8：Matlab 圖表顯示不同電感下的 DC/DC 轉換效率。(圖片來源：Qoitech AB)

這個方法相當適合觀察 DC/DC 轉換器在不同負載條件下的行為。

結論

Otii 是相當實用的工具，可輕鬆分析 DC/DC 轉換器的效率，既適用於專用系統，也可協助發揮完整特性。

在本次分析所用的簡易系統中，TI 的三款 DC/DC 轉換器表現非常相近，而選用 TPS61097A-33DBVT 的理由單純是因其採用 SOT23-5 封裝。至於為何應該選擇 12 µH 電感，則是因為其效率較高，並且有足夠的空間可容納。

本文範例中所採用的 DC/DC 轉換器與電感數量並不多，但設計人員可以擴大此分析，加入其偏好的任何產品。

如需更多資訊，請查閱 Qoitech 的特點頁面。