ケーススタディ:TIのDC/DCコンバータの特性付け

著者 Björn Rosqvist

背景/問題

IoTデバイスでは、バッテリからできるだけ多くのエネルギーを取り出すための効率的な電源管理システムが不可欠です。その重要な部分の1つが、バッテリから民生品への電圧を上げる効率的なDC/DCコンバータを設計することです。この例では、1.5Vのアルカリ電池を使用して3.3Vの出力を得ています。高効率設計を実現するには、多くの知識と測定が必要です。小さなIoT企業では、通常、高価な測定装置を使用する機会が限られているため、この記事では、安価で迅速な2つの設計支援について説明します。

  1. バッテリ寿命全体にわたるターゲットシステムの効率値の計算を支援し、設計者が最も効率的なDC/DCコンバータとインダクタを選択するのに役立ちます。
  2. 2つのOtiiを使用することによって、1つまたは複数のDC/DCをその全動作範囲にわたって、異なるインダクタで完全に特性付けするのに役立ちます。最後に、設計者は最善のバッテリ性能を得るための最適な組み合わせを選択できます。

測定のセットアップ

ケース1

Qoitech ABOtii-Arc-001(この記事の後続部分ではOtiiと呼ばれています)は、バッテリとして機能し、電圧を1.5Vから0.9Vまで掃引し、DC/DC(Otii主電流および電圧)への入力エネルギーでDC/DC(Otii拡張ポートADC測定電流および電圧)からの出力エネルギーを除算することによって効率を測定します。負荷はDUT(被試験デバイス、すなわちターゲットシステム)です。後述するように、測定値は正しい平均値が確実に計算されるのに十分な長さであるように注意することが重要です。

ケース1のQoitech測定のセットアップの画像

図1:ケース1の測定のセットアップ。(画像提供:Qoitech AB)

図1に示すセットアップでは、DUTは30秒ごとに温度、湿度、および光を測定し、そのような10サイクルが平均化に使用されます。合計効率値は、バッテリが所定の電圧レベルに留まる時間の加重によって計算されます(図2を参照)。ここで、バッテリは9%の時間で1.5V 、8%の時間で1.4Vになると推定されます。これは完全に正しいわけではありませんが、このケースでは適切な見積もりです。

AAAバッテリ放電プロファイルのグラフ

図2:AAAバッテリ放電プロファイル。(画像提供:Qoitech AB)

ケース2

1つのソーシングOtiiはバッテリとして機能し、電圧を1.5Vから0.9Vまで掃引します。このソーシングOtiiは測定を行うものです。もう1つのOtiiは、1mA、3mA、5mA、10mA、30mA、50mA、そして最後に90mA(DC/DC上限は100mA)からスタートし、プログラム可能な定電流負荷として機能します。

ケース2のQoitech測定のセットアップの画像

図3:ケース2の測定のセットアップ。(画像提供:Qoitech AB)

ソーシングOtiiは、入力エネルギー(Otii主電流および電圧)で出力エネルギー(Otii拡張ポートADC測定電流および電圧)を除算することによって効率を測定します。通常、出力電圧 x 出力電流が入力電圧 x 入力電流で除算されますが、Otiiはエネルギーを計算して表示するため、これを使用する方がはるかに簡単です。

Otiiツールでは、SENSE+とSENSE-の入力を使用して、4端子センシングで入出力電圧を測定することもできます。これについてはここでは説明しません。かなり低い電流であり、Otiiが短い低抵抗ケーブルで接続されているためです。

両方のOtiis、または接続されているのと同じ数のOtiis、およびすべての測定値(主電流、主電圧、拡張ポートADC電流、拡張ポートADC電圧、SENSE+、SENSE-など)が同じウィンドウに表示されるため、生成されたデータが見やすくなります。

結果

これらのケースでは、3つの異なるTexas InstrumentsのDC/DCが使用されました。

前述のように、測定はDUTに対して10周期にわたって行われました。つまり、各バッテリ電圧に対して10 x 30秒 = 5分です。図4に、TPS91097A-33DVBT DC/DCのスクリーンキャプチャを示します。

Qoitechのケース1のOtii測定、TPS91097A-33DVBTの画像

図4:ケース1のOtii測定、TPS91097A-33DVBT。(画像提供:Qoitech AB)

Otiiツールは、出力エネルギーを入力エネルギーで除算することによって、効率の計算を非常に簡単にします。次に、ケース1の測定のセットアップの製品概要に従って、その効率値を加重します。3つのすべてのDC/DCの概要を図5に示します。

さまざまなDC/DCの効率計算の表

図5:さまざまなDC/DCの効率計算。(画像提供:Qoitech AB)

この計算は、Otiiでもluaスクリプト(https://www.lua.org)を使用して自動的に実行できますが、図5では、見やすくするためにExcelで表示しています。

3つのDC/DCは、4.7µHの小型チップインダクタを使用したところ、ほぼ同じ性能を示しました。DC/DC調査を続けるために、さまざまなインダクタを使用して、効率が向上するかどうかを確認しました。3つの異なるBournsインダクタと1つのMurataインダクタが選択されました。

22µHのインダクタはこのアプリケーションにはあまりにも大きすぎますが、性能を確認することは興味深いものでした。

DC/DCとしてTPS61097A-33DBVTを選択し、変数としてインダクタを選択して、以前と同じセットアップを使用しました(図6)。

さまざまなインダクタの効率計算の表

図6:さまざまなインダクタの効率計算。(画像提供:Qoitech AB)

結果は予想のとおりで、より大きく、より低い抵抗のインダクタで、より高効率のDC/DCソリューションが得られます。ただし、巨大な22µHのインダクタが適切な選択とはいえません。

DC/DCの動作についてさらに学ぶために、ケース2を使用して、ある範囲の入力電圧および負荷にわたってDC/DCのより詳細な特性評価を得ました。

はじめに、図7では巨大な22µHインダクタの測定値を見ています。図8は、他のインダクタについての同じ分析を示しています。

ケース2、巨大な22µHインダクタを備えたTPS61097A-33DVBTのOtii測定の画像

図7:ケース2、巨大な22µHインダクタを備えたTPS61097A-33DVBTのOtii測定。(画像提供:Qoitech AB)

Otiiのシンクは、1mA、3mA、5mA、10mA、3mA、50 mA、そして最後に90mAのシンクでスタートします。これはすべてのバッテリ電圧に対して繰り返されます。

図7に示すように、DC/DCは低い入力電圧では90mAを処理できません。DC/DCはこれらの低電圧に対して調整できず、振動し始めます。

データは.csvファイルに保存され、Matlabによってインポートされ、簡単に分析されプロットされました。効率は、図8の出力電流との関連でプロットされています。

さまざまなインダクタのDC/DC効率を示すMatlabグラフの画像

図8:さまざまなインダクタのDC/DC効率を示すMatlabグラフ。(画像提供:Qoitech AB)

これは、さまざまな負荷条件におけるDC/DCの動作を確認するための非常に良い方法です。

Otiiスクリプト

完全なOtiiスクリプト、Otiiプロジェクトファイル、.csvファイル、およびMatlabコードは、ここで見つかります

まとめ

Otiiは、意図されたシステムでも完全な特性評価でも、DC/DCの効率を簡単に分析するのに非常に便利なツールです。

TIの3つのDC/DC動作は、この分析で使用された単純なシステムと非常によく似ており、TPS61097A-33DBVTを選択した理由は、単にSOT23-5パッケージがあるためです。インダクタの選択に関しては、効率が高く、スペースがあるため、12µHのインダクタを選択する必要があります。

この記事でのDC/DCとインダクタの数は数個に制限されていますが、この分析では設計者が好むものを含めるように拡張することができます。

詳細は、Qoitechの特長ページを参照してください。

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著者について

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.