Fallstudie: Charakterisierung eines DC/DC-Wandlers von TI

Von Björn Rosqvist

Hintergrund/Problem

Bei IoT-Geräten ist ein effizientes Energiemanagementsystem unerlässlich, um so viel Energie wie möglich aus der Batterie entnehmen zu können. Ein wichtiger Teil dieses Vorhabens ist ein effizienter DC/DC-Wandler, der die Spannung auf dem Wege von der Batterie zum Verbraucher erhöht. In diesem Beispiel erreichen wir mit einer 1,5V-Alkalibatterie eine Ausgangsspannung von 3,3 V. Für ein hocheffizientes Design sind viel Wissen und viele Messungen erforderlich. Da ein kleines IoT-Unternehmen normalerweise nur über einen eingeschränkten Zugang zu teuren Messgeräten verfügt , werden in diesem Artikel zwei billige und schnelle Konstruktionshilfen beschrieben.

  1. Eine Hilfe zur Berechnung des Wirkungsgrads des Zielsystems über die gesamte Laufzeit der Batterie, die den Entwickler bei der Wahl eines möglichst effizienten DC/DC-Wandlers und Induktors unterstützt.
  2. Eine Hilfe zur vollständigen Charakterisierung eines oder mehrerer DC/DC-Wandler mit verschiedenen Induktoren über ihren vollständigen Arbeitsbereich durch den Einsatz von zwei Otii-Einheiten. Am Schluss ist der Entwickler in der Lage, die Kombination zu wählen, die die beste Batterieleistung verspricht.

Messaufbau

Fall 1

Der Otii-Arc-001 von Qoitech AB (in diesem Artikel als „Otii“ bezeichnet) fungiert als Batterie, durchläuft einen Spannungsbereich von 1,5 V bis hinab zu 0,9 V und misst den Wirkungsgrad durch Division der Energie am Ausgang des DC/DC-Wandlers (ADC-Messung von Stromstärke und Spannung am Otii-Erweiterungsanschluss) durch die Energie am Eingang des DC/DC-Wandlers (Stromstärke und Spannung am Otii-Hauptanschluss). Die Last ist das DUT (Device Under Test, Testgerät), hier das Zielsystem. Wie weiter unten beschrieben ist es wichtig, dass die Messungen lang genug sind, um sicherzustellen, dass der richtige Durchschnittswert berechnet wird.

Bild: Qoitech-Messaufbau für Fall 1

Abbildung 1: Messaufbau für Fall 1. (Bildquelle: Qoitech AB)

Beim Messaufbau in Abbildung 1 misst das DUT alle 30 Sekunden Temperatur, Feuchtigkeit und Helligkeit, wobei 10 derartige Zyklen zur Bestimmung des Durchschnittswerts verwendet werden. Der Gesamtwirkungsgrad wird durch Gewichtung der Laufzeit der Batterie bei einer bestimmten Spannung ermittelt, siehe Abbildung 2, wobei geschätzt wird, dass die Batterie 9 % der Zeit 1,5 V, 8 % der Zeit 1,4 V liefert usw. Dies ist zwar nicht vollständig korrekt, aber es stellt eine sinnvolle Schätzung für diesen Fall dar.

Grafische Darstellung: Entladungsprofil einer AAA-Batterie

Abbildung 2: Grafische Darstellung: Entladungsprofil einer AAA-Batterie. (Bildquelle: Qoitech AB)

Fall 2

Ein Otii fungiert als Batterie und durchläuft einen Spannungsbereich von 1,5 V bis hinab zu 0,9 V. Dieser als Quelle fungierende Otii führt die Messungen durch. Der andere Otii fungiert als programmierbarer konstanter Stromverbraucher. Er beginnt mit 1 mA, 3 mA, 5 mA, 10 mA, 30 mA, 50 mA bis schließlich 90 mA (die Obergrenze des DC/DC-Wandlers beträgt 100 mA).

Bild: Qoitech-Messaufbau für Fall 2

Abbildung 3: Messaufbau für Fall 2. (Bildquelle: Qoitech AB)

Der als Quelle fungierende Otii misst den Wirkungsgrad durch Division der Energie am Ausgang (Am Erweiterungsanschluss des Otii werden Stromstärke und Spannung gemessen) durch die Energie am Eingang (Stromstärke und Spannung am Hauptanschluss des Otii). Üblicherweise wird die Ausgangsspannung mit der Ausgangsstromstärke multipliziert und durch das Produkt aus Eingangsspannung und Eingangsstromstärke dividiert, aber da der Otii die Energie bereits berechnet und anzeigt, können wir uns diese Arbeit ersparen.

Mit dem Otii ist es auch möglich, die Eingangs- und Ausgangspannung durch Messungen an vier Anschlüssen unter Verwendung der Eingänge SENSE+ und SENSE- zu messen. Dies wird hier wegen der recht geringen Stromstärke und der Tatsache, dass der Otii mit kurzen Kabeln mit geringem Widerstand angeschlossen wird, nicht behandelt.

Beide Otii-Einheiten bzw. alle angeschlossenen Otii-Einheiten und alle Messungen (Spannung und Stromstärke am Hauptanschluss, Spannung und Stromstärke am ADC des Erweiterungsanschlusses, SENSE+, SENSE-, etc.) werden in demselben Fenster dargestellt. Es ist daher sehr einfach, die generierten Daten abzulesen.

Resultate

In diesen Fällen wurden drei unterschiedliche DC/DC-Wandler von Texas Instruments verwendet.

Wie weiter oben festgestellt wurde, wurden für das DUT 10 Messzyklen durchgeführt, d. h. 10 x 30 s = 5 Min. für jede Batteriespannung. Abbildung 4 zeigt einen Screenshot für den DC/DC-Wandler TPS91097A-33DVBT.

Bild: Messung mit dem Qoitech Otii, Fall 1, TPS91097A-33DVBT

Abbildung 4: Messung mit dem Qoitech Otii, Fall 1, TPS91097A-33DVBT. (Bildquelle: Qoitech AB)

Mit der Otii-Einheit ist es sehr einfach, die Effizienz durch Division der Ausgangsenergie durch die Eingangsenergie zu berechnen. Der Wirkungsgrad wird dann entsprechend der Beschreibung zum Messaufbau für Fall 1 gewichtet. Abbildung 5 zeigt einen Überblick über alle DC/DC-Wandler.

Tabelle mit der Berechnung des Wirkungsgrads für die verschiedenen DC/DC-Wandler

Abbildung 5: Berechnung des Wirkungsgrads für die verschiedenen DC/DC-Wandler. (Bildquelle: Qoitech AB)

Diese Berechnung kann im Otii auch automatisch mit lua-Scripts (https://www.lua.org) durchgeführt werden, aber Abbildung 5 zeigt die Berechnung der Übersichtlichkeit in Excel.

Die drei DC/DC-Wandler waren mit der kleinen 4,7µH-Chipinduktivität fast gleichwertig. Die Testreihe für die DC/DC-Wandler wurde mit verschiedenen Induktivitäten fortgesetzt, um festzustellen, ob der Wirkungsgrad größer wird. Es wurden drei verschiedene Induktivitäten von Bourns und eine Induktivität von Murata gewählt.

Die 22µH-Induktivität war für den Zweck zu groß, aber es war interessant, die Performance zu beobachten.

Derselbe Messaufbau wie vorher wurde dann mit dem TPS61097A-33DBVT als DC/DC-Wandler mit der Induktivität als Variable gewählt (Abbildung 6).

Tabelle mit der Berechnung des Wirkungsgrads für verschiedene Induktivitäten

Abbildung 6: Berechnung des Wirkungsgrads für verschiedene Induktivitäten. (Bildquelle: Qoitech AB)

Die Ergebnisse waren wie erwartet: mit einer größeren Induktivität mit geringerem Widerstand arbeitet der DC/DC-Wandler effizienter. Die sehr große 22µH-Induktivität ist allerdings nicht zu empfehlen.

Um mehr über das Verhalten der DC/DC-Wandler zu erfahren, wurden in Fall 2 genauere Kennwerte des DC/DC-Wandlers für mehrere Spannungen und Lasten ermittelt.

Zuerst zeigt Abbildung 7 die Messungen für die große 22µH-Induktivität. Abbildung 8 zeigt dieselbe Analyse für die anderen Induktivitäten.

Abbildung für Fall 2: Otii-Messung für den TPS61097A-33DVBT mit großer 22µH-Induktivität

Abbildung 7: Fall 2. Otii-Messung für den TPS61097A-33DVBT mit der großen 22µH-Induktivität. (Bildquelle: Qoitech AB)

Der als Verbraucher fungierende Otii beginnt mit 1 mA und zieht dann jeweils 3 mA, 5 mA, 10 mA, 30 mA, 50 mA und schließlich 90 mA. Dies wird für alle Batteriespannungen wiederholt.

Wie Abbildung 7 zeigt, kommt der DC/DC-Wandler bei den niedrigen Eingangsspannungen nicht mit 90 mA zurecht. Der DC/DC-Wandler kann bei den niedrigen Spannungen keine stabile Regelung erreichen und beginnt zu oszillieren.

Die Daten wurden in CSV-Dateien gespeichert und dann zur Analyse und grafischen Aufbereitung in Matlab importiert. In Abbildung 8 wird der Wirkungsgrad relativ zur Ausgangsstromstärke dargestellt.

Bild: Matlab-Diagramm mit dem Wirkungsgrad des DC/DC-Wandlers mit verschiedenen Induktivitäten

Abbildung 8: Matlab-Diagramm mit dem Wirkungsgrad des DC/DC-Wandlers mit verschiedenen Induktivitäten. (Bildquelle: Qoitech AB)

Dies ist eine sehr gute Möglichkeit, das Verhalten der DC/DC-Wandler bei verschiedenen Lasten zu beobachten.

Otii-Script

Sämtliche Otii-Scripts, Otii-Projektdateien, CSV-Dateien und den Matlab-Code finden Sie hier.

Fazit

Der Otii ist ein sehr nützliches Werkzeug für die einfache Analyse des Wirkungsgrads von DC/DC-Wandlern sowohl innerhalb des Zielsystems als auch für eine vollständige Charakterisierung.

Die drei DC/DC-Wandler von TI verhielten sich in dem für diese Analyse verwendeten System recht ähnlich, und der Grund für die Wahl des TPS61097A-33DBVT war einfach, dass er ein SOT23-5-Gehäuse hat. Was die Induktivitäten betrifft, so sollte die 12µH-Induktivität wegen ihres höheren Wirkungsgrads und aufgrund der Tatsache, dass sie auf der Platine Platz findet, gewählt werden.

Die Anzahl der in diesem Artikel verwendeten DC/DC-Wandler und Induktivitäten ist begrenzt, aber die Analyse kann auf beliebige in Frage kommende Bausteine ausgeweitet werden.

Weitere Informationen finden Sie auf der Qoitech Feature-Seite.

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Über den Autor

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.