【導讀】在物聯網設備中，擁有一個高效的電源管理系統，以最大限度地利用電池的能量是至關重要的。其中一個重要部分是，設計一個高效率的DC/DC轉換器，提升從電池到用電設備的電壓。本文將介紹兩種能夠幫助用戶實現廉價且快速設計的實用測量方法。
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。為了實現高效率的設計，需要運用很多知識并進行大量測量。小型物聯網公司通常很難獲得昂貴的測量設備，因此本文介紹兩種能夠幫助用戶實現廉價且快速設計的實用測量方法。
案例一：計算目標系統在整個電池壽命期間的能效值，幫助設計人員選出效率最高的DC/DC轉換器和電感器。
案例二：通過使用兩個Otii工具，在整個工作范圍內利用不同電感器對一個或多個DC/DC轉換器進行全面特征化。最終，設計人員可以選擇最佳組合以獲得最佳電池性能。
測量方案設置
案例一
Qoitech AB的Otii-Arc-001（以下簡稱為Otii）充當電池，掃描電壓范圍為1.5V到0.9V。通過將來自DC/DC轉換器的輸出能量（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（被測設備，即目標系統）。務必注意，測量時間應足夠長，以確保算得正確的平均值，稍后將對此加以討論。
圖1：案例一的測量設置。（圖片來源：Qoitech AB）
對于圖1所示設置，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的估計。
圖2：AAA電池放電曲線。（圖片來源：QoitechAB）
案例二
一個供電Otii充當電池，掃描電壓從1.5V到0.9V。這個供電Otii也負責測量。另一個Otii充當可編程恒流負載，從1mA開始，然后是3mA、5mA、10mA、30mA、50mA，最后到90mA（DC/DC轉換器上限為100mA）。
圖3：案例2的測量設置。（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，原因是電流相當低，而且連接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生的數據。
測量結果分析
這些案例中使用了三種不同的Texas Instruments DC/DC轉換器。
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，然后根據案例一測量設置中的說明對該效率值進行加權。圖5為所有三個DC/DC轉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轉換器的性能幾乎相同。為了繼續研究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電感器對于這種應用而言太大，但了解相應的性能很有意思。
使用與之前相同的設置，選擇TPS61097A-33DBVT作為DC/DC轉換器，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）
結果同預期一樣，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轉換器的特性，使用案例二來獲得DC/DC轉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大電感對應的測量結果。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節，并開始振蕩。
數據存儲在 .csv文件中，供Matlab導入以便進行分析和繪圖。圖8繪出了效率與輸出電流的關系。
圖8：顯示不同電感對應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轉換器在不同負載條件下的特性。
測試案例總結
Otii是一個非常有用的工具，可以輕松分析DC/DC轉換器的效率，既適合在目標系統中使用，也可用來實現完整的特征化。
在本文件分析所采用的簡單系統中，三種TI DC/DC轉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。關于電感器選擇，應選擇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轉換器和電感器的數量很少，但設計人員可以根據此分析擴展到自己喜歡的元器件。
來源：DigiKey 作者： Bill Schweber
