Case study: Caratterizzazione di un convertitore c.c./c.c. di TI

Di Björn Rosqvist

Contesto/Problema

Nei dispositivi IoT, è fondamentale disporre di un efficiente sistema di gestione dell'alimentazione per ricavare la massima energia possibile dalla batteria. Una parte importante di questo processo è progettare un convertitore c.c./c.c. efficiente, aumentando la tensione erogata dalla batteria per l'uso da parte dell'utente. In questo esempio, utilizziamo una batteria alcalina da 1,5 V per ottenere un'uscita da 3,3 V. Per realizzare un progetto ad alta efficienza, si richiedono competenze tecniche e misurazioni. Una piccola azienda nel settore IoT ha di solito un accesso limitato a costose apparecchiature di misurazione. È per tale motivo che in questo articolo presenteremo due sistemi economici e pratici.

  1. Consentono di calcolare un valore di efficienza di un sistema specificato per l'intera durata della batteria, aiutando il progettista a scegliere l'induttore e il convertitore c.c./c.c. più efficienti.
  2. Aiutano a caratterizzare in modo completo uno o più convertitori c.c./c.c. con diversi induttori, sull'intero intervallo di esercizio usando due Otii. Alla fine, il progettista potrà così scegliere la combinazione più idonea per ottenere le migliori prestazioni dalla batteria.

Configurazione del sistema di misurazione

Caso 1

Otii-Arc-001 di Qoitech AB (che in questo articolo chiameremo semplicemente Otii) funge da batteria, fornendo una tensione che passa da 1,5 V a 0,9 V. Misura l'efficienza dividendo l'energia in uscita da c.c./c.c. (corrente e tensione di misurazione ADC della porta di espansione Otii) per l'energia in ingresso al c.c./c.c. (corrente e tensione principali Otii). Il carico è il DUT (dispositivo sotto test, ossia il sistema di destinazione). È importante notare, come verrà discusso in seguito, che le misurazioni dovrebbero essere sufficientemente lunghe da garantire che venga calcolata la media corretta.

Immagine della configurazione di misurazione Qoitech per il Caso 1

Figura 1: Configurazione di misurazione per il Caso 1. (Immagine per gentile concessione di Qoitech AB)

Per la configurazione mostrata nella Figura 1, il DUT misura la temperatura, l'umidità e la luce ogni 30 secondi e per ottenere la media vengono utilizzati 10 cicli di questo tipo. Il valore di efficienza totale viene calcolato valutando per quanto tempo la batteria rimane a un dato livello di tensione; vedere la Figura 2 dove viene stimato che la batteria sarà a 1,5 V per il 9% del tempo, a 1,4 V per l'8% del tempo, ecc. I risultati non sono del tutto precisi ma è una stima adeguata per questo caso.

Grafico del profilo di scarica di una batteria AAA

Figura 2: Profilo di scarica di una batteria AAA. (Immagine per gentile concessione di Qoitech AB)

Caso 2

Un Otii sorgente funge da batteria, passando da 1,5 V a 0,9 V. L'Otii sorgente è quello che esegue le misurazioni. L'altro Otii funge da carico di corrente costante programmabile, a partire da 1 mA, 3 mA, 5 mA, 10 mA, 30 mA, 50 mA e infine 90 mA (il limite superiore del convertitore c.c./c.c. è 100 mA).

Immagine della configurazione di misurazione Qoitech per il Caso 2

Figura 3: Configurazione di misurazione per il Caso 2. (Immagine per gentile concessione di Qoitech AB)

L'Otii sorgente misura l'efficienza dividendo l'energia in uscita (corrente e tensione di misurazione ADC della porta di espansione Otii) per l'energia in ingresso (corrente e tensione principali Otii). Di solito, la tensione di uscita moltiplicata per la corrente di uscita viene divisa per la tensione di ingresso moltiplicata per la corrente di ingresso, ma poiché Otii calcola e visualizza l'energia è molto più semplice utilizzare questo metodo.

Lo strumento Otii consente inoltre di misurare la tensione di ingresso e di uscita con rilevamento su quattro terminali utilizzando gli ingressi SENSE+ e SENSE-. Questo aspetto non sarà discusso qui dato che la corrente è piuttosto bassa e Otii è collegato con cavi corti a bassa resistenza.

Entrambi gli Otii o tutti quelli collegati e tutte le misure (corrente principale, tensione principale, corrente e tensione ADC sulla porta di espansione, SENSE+, SENSE-, ecc.) sono presentati nella stessa finestra, quindi è molto facile esaminare i dati che vengono generati.

Risultati

In questi casi sono stati utilizzati tre diversi convertitori c.c./c.c. di Texas Instruments.

Come affermato in precedenza, le misurazioni sono state eseguite su 10 periodi per il DUT, ovvero 10 x 30 s = 5 min per ciascuna tensione della batteria. La Figura 4 mostra un'istantanea della schermata relativa al convertitore c.c./c.c. TPS91097A-33DVBT.

Immagine della misurazione Otii Qiitech Caso 1, TPS91097A-33DVBT

Figura 4: Misurazione Otii Caso 1, TPS91097A-33DVBT. (Immagine per gentile concessione di Qoitech AB)

Lo strumento Otii semplifica enormemente il calcolo dell'efficienza dividendo l'energia di uscita per l'energia di ingresso. Tale valore di efficienza viene quindi ponderato in base alla descrizione della configurazione per la misurazione nel Caso 1. Nella Figura 5 viene presentata una panoramica dei tre convertitori c.c./c.c.

Tabella del calcolo dell'efficienza dei vari convertitori c.c./c.c.

Figura 5: Calcolo dell'efficienza dei vari convertitori c.c./c.c. (Immagine per gentile concessione di Qoitech AB)

Questo calcolo può anche essere eseguito automaticamente in Otii con gli script lua (https://www.lua.org), ma nella Figura 5 viene illustrato con Excel per facilitarne la lettura.

I tre convertitori c.c./c.c. hanno mostrato prestazioni quasi identiche con il piccolo induttore in chip da 4,7 μH. Per continuare l'indagine sui convertitori c.c./c.c. sono stati usati diversi induttori per scoprire se c'è un aumento dell'efficienza. Sono stati scelti tre diversi induttori di Bourns e uno di Murata.

L'induttore da 22 μH era troppo grande per questa applicazione, ma è stato interessante vederne le prestazioni.

La stessa configurazione di prima è stata utilizzata con il TPS61097A-33DBVT scelto come convertitore c.c./c.c. e l'induttore come variabile (Figura 6).

Tabella del calcolo dell'efficienza dei vari induttori

Figura 6: Calcolo dell'efficienza dei vari induttori. (Immagine per gentile concessione di Qoitech AB)

I risultati sono stati come previsto: un induttore più grande e a resistenza inferiore porta a una soluzione c.c./c.c. più efficiente. Comunque, il grosso induttore da 22 μH non è la strada giusta.

Per capire meglio il comportamento dei convertitori c.c./c.c. è stato utilizzato il Caso 2 per una caratterizzazione più approfondita del convertitore su un certo intervallo di tensioni in ingresso e di carichi.

Per iniziare, la Figura 7 esamina le misurazioni per il grosso induttore da 22 μH. La Figura 8 mostra la stessa analisi sugli altri induttori.

Immagine del Caso 2, misurazione con Otii per TPS61097A-33DVBT con il grosso induttore da 22 µH.

Figura 7: Caso 2, misurazione con Otii per TPS61097A-33DVBT con il grosso induttore da 22 µH. (Immagine per gentile concessione di Qoitech AB)

L'Otii di sinking inizia con l'assorbimento di 1 mA, quindi di 3 mA, 5 mA, 10 mA, 30 mA, 50 mA e infine 90 mA. Questo ciclo viene ripetuto per tutte le tensioni della batteria.

Come si può vedere nella Figura 7, il convertitore c.c./c.c. non può gestire 90 mA per le tensioni di ingresso più basse. Non è in grado di regolare queste tensioni così basse e inizia a oscillare.

I dati, importati da Matlab, sono stati archiviati in file .csv per semplificare l'analisi e la creazione di grafici. Nella Figura 8, l'efficienza viene tracciata in relazione alla corrente di uscita.

Immagine di grafici Matlab che mostrano l'efficienza c.c./c.c. di diversi induttori

Figura 8: Grafici Matlab che mostrano l'efficienza c.c./c.c. di diversi induttori. (Immagine per gentile concessione di Qoitech AB)

Questo è un ottimo sistema per vedere il comportamento di convertitori c.c./c.c. in condizioni di carico differenti.

Script Otii

Script Otii, file di progetto Otii, file .csv e codice Matlab sono reperibili qui.

Conclusione

Otii è uno strumento molto utile per semplificare l'analisi dell'efficienza di un convertitore c.c./c.c., sia in un sistema specificato che per caratterizzazioni complete.

Nelle prestazioni, i tre convertitori c.c./c.c. di TI sono risultati molto simili nel semplice sistema utilizzato in questa analisi e la scelta di TPS61097A-33DBVT è data semplicemente dalla possibilità di utilizzare un contenitore SOT23-5. Per quanto riguarda l'induttore, la scelta dovrebbe ricadere su quello da 12 μH per la sua maggiore efficienza e per lo spazio che occupa.

In questo articolo abbiamo visto solo pochi convertitori c.c./c.c. e induttori, ma questa analisi può essere estesa per includere tutti quelli preferiti dal progettista.

Per ulteriori informazioni, visitare la pagina delle caratteristiche di Qoitech.

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Informazioni su questo autore

Björn Rosqvist

Björn Rosqvist is the Master Hardware Engineer at Qoitech, a Sweden based startup behind the new disruptive power analyzer Otii. Björn has a Master of Science degree in Applied Physics and Electrical Engineering from Linköping University in Sweden. He has been working within Power Electronics, Automotive and Telecommunication fields, both in large companies as well as start-ups. The last 13 years he has been working with consumer electronics within design and verification.