Caso de estudio: Caracterización de un convertidor de CC/CC de TI

Por Björn Rosqvist

Fondo/problema

En los dispositivos de IoT, es vital contar con un sistema de administración de alimentación eficiente para obtener la mayor cantidad de energía posible de la batería. Una parte importante de esto es diseñar un convertidor de CC/CC eficiente y así dirigir el voltaje de la batería al consumidor. En este ejemplo, usamos una batería alcalina de 1.5 V para obtener una salida de 3.3 V. Para obtener un diseño de alta eficiencia, se requieren muchos conocimientos y mediciones. Una empresa pequeña de IoT generalmente tiene acceso limitado a equipos de medición costosos, por lo que este artículo describe dos soluciones de diseño rápido y asequible.

  1. Ayudan a calcular el valor de eficiencia para un sistema objetivo mientras dura la batería, lo que le permite al diseñador elegir el inductor y el convertidor de CC/CC más eficientes con mayor facilidad.
  2. Ayudan a caracterizar completamente uno o varios CC/CC con diferentes inductores en todo el rango de trabajo usando dos Otii. Al final, el diseñador puede elegir la mejor combinación para un mejor rendimiento de la batería.

Configuración de medición

Caso 1

El Otii-Arc-001 de Qoitech AB (denominado Otii en el resto del artículo) actúa como la batería, con un voltaje de barrido de 1.5 V a 0.9 V, que mide la eficiencia dividiendo la energía de salida del CC/CC (corriente y voltaje de medición del ADC del puerto de expansión Otii) con la energía de entrada al CC/CC (corriente principal y voltaje de Otii). La carga es el DUT (dispositivo bajo prueba; es decir, sistema de destino). Es importante tener en cuenta, como se verá más adelante, que las mediciones deben ser lo suficientemente largas para garantizar el cálculo correcto del promedio.

Imagen de la configuración de medición de Qoitech para el Caso 1

Figura 1: configuración de medición para el Caso 1. (Fuente de la imagen: Qoitech AB)

Para la configuración que se muestra en la Figura 1, el DUT mide la temperatura, la humedad y la luz cada 30 segundos, y se utilizan 10 ciclos de este tipo para calcular el promedio. El valor de la eficiencia total se calcula ponderando cuánto tiempo permanecerá la batería en un nivel de voltaje determinado, consulte la Figura 2, en la que se estima que la batería estará a 1.5 V para el 9 % del tiempo, 1.4 V para el 8 % tiempo y así sucesivamente. Esto no es enteramente preciso, pero es una estimación adecuada en este caso.

Gráfico del perfil de descarga de la batería AAA

Figura 2: perfil de descarga de la batería AAA. (Fuente de la imagen: Qoitech AB)

Caso 2

Una fuente Otii actúa como batería, con un voltaje de barrido de 1.5 V a 0.9 V. Esta fuente Otii es la que realiza las mediciones. El otro Otii actúa como una carga de corriente constante programable, que se inicia en 1 mA, 3 mA, 5 mA, 10 mA, 30 mA, 50 mA hasta alcanzar 90 mA (el límite superior de CC/CC es de 100 mA).

Imagen de la configuración de medición de Qoitech para el Caso 2

Figura 3: configuración de medición para el Caso 2. (Fuente de la imagen: Qoitech AB)

La fuente Otii mide la eficiencia dividiendo la energía de salida (corriente y voltaje de medición del ADC del puerto de expansión Otii) con la energía de entrada (corriente principal y voltaje de Otii). Por lo general, el voltaje de salida por la corriente de salida se divide por el voltaje de entrada por la corriente de entrada, pero, como Otii calcula y muestra la energía, es mucho más simple de usar.

La herramienta Otii también permite la posibilidad de medir el voltaje de entrada y salida con cuatro sensores terminales mediante las entradas SENSE+ y SENSE-. Esto no se tratará aquí debido a la corriente bastante baja y a que Otii se conecta con cables cortos de baja resistencia.

Ambos Otii, o todos los Otii conectados, y todas las mediciones (corriente principal, voltaje principal, corriente del ADC de puerto de expansión, voltaje del ADC del puerto de expansión, SENSE+, SENSE-, etc.) se presentan en la misma ventana, por lo que es muy fácil mostrar los datos que se generan.

Resultados

En estos casos se utilizaron tres CC/CC de Texas Instruments diferentes.

Como se indicó anteriormente, las mediciones se tomaron durante 10 períodos para el DUT; es decir, 10 x 30 ss = 5 min para cada voltaje de batería. La Figura 4 muestra una captura de pantalla del CC/CC TPS91097A-33DVBT.

Imagen de la medición de Otii del Caso 1 de Qoitech, TPS91097A-33DVBT

Figura 4: Caso 1 medición de Otii, TPS91097A-33DVBT. (Fuente de la imagen: Qoitech AB)

La herramienta Otii facilita el cálculo de la eficiencia al dividir la energía de salida por la energía de entrada. Ese valor de eficiencia se ponderará luego de acuerdo con la descripción de la configuración de medición para el Caso 1. En la Figura 5 se muestra una descripción general de los tres CC/CC.

Tabla de cálculo de eficiencia para los diferentes CC/CC.

Figura 5: cálculo de eficiencia para los diferentes CC/CC. (Fuente de la imagen: Qoitech AB)

Este cálculo también se puede hacer automáticamente en el Otii con los scripts lua (https://www.lua.org), pero la Figura 5 lo muestra en Excel para hacerlo más visible.

Los tres CC/CC se comportaron casi igual con el pequeño inductor de chips de 4.7 µH. Para continuar la investigación de CC/CC, se usaron diferentes inductores a fin de ver si aumenta la eficiencia. Se eligieron tres inductores de Bourns diferentes y un inductor de Murata.

El inductor de 22 µH era demasiado grande para esta aplicación, pero fue interesante ver el rendimiento.

La misma configuración anterior se usó con el TPS61097A-33DBVT elegido como CC/CC y el inductor como variable (Figura 6).

Tabla de cálculo de eficiencia para diferentes inductores

Figura 6: Cálculo de eficiencia para diferentes inductores. (Fuente de la imagen: Qoitech AB)

Los resultados fueron los esperados, un inductor de resistencia más grande y más bajo es el resultado de una solución de CC/CC de mayor eficiencia. Sin embargo, el enorme inductor de 22 µH no es lo adecuado.

Para obtener más información sobre el comportamiento del CC/CC, se usó el Caso 2 para adquirir una caracterización más profunda del CC/CC en un rango de cargas y voltajes de entrada.

Para comenzar, la Figura 7 analiza las medidas para el inductor grande de 22 µH. La figura 8 muestra el mismo análisis en los otros inductores.

Imagen de los gráficos de Matlab que muestran la eficiencia del CC/CC para diferentes inductores

Figura 7: Caso 2, medición de Otii para TPS61097A-33DVBT con un inductor grande de 22 µH. (Fuente de la imagen: Qoitech AB)

El hundimiento del Otii se inicia en 1 mA y luego aumenta 3 mA, 5 mA, 10 mA, 30 mA, 50 mA hasta alcanzar 90 mA. Esto se repite para todos los voltajes de la batería.

Como puede verse en la Figura 7, el CC/CC no puede manejar 90 mA para los voltajes de entrada más bajos. El CC/CC no puede regular estos bajos voltajes y comienza a oscilar.

Los datos se almacenaron en archivos .csv que Matlab importó para facilitar el análisis y los gráficos. La eficiencia se grafica en relación con la corriente de salida en la Figura 8.

Imagen de los gráficos de Matlab que muestran la eficiencia del CC/CC para diferentes inductores

Figura 8: gráficos de Matlab que muestran la eficiencia del CC/CC para diferentes inductores. (Fuente de la imagen: Qoitech AB)

Esta es una muy buena manera de ver el comportamiento del CC/CC en diferentes condiciones de carga.

Script de Otii

Los scripts completos de Otii scripts, los archivos de proyecto de Otii, los archivos .csv y el código de Matlab se pueden encontrar aquí.

Conclusión

Otii es una herramienta muy útil para un fácil análisis de la eficiencia de un CC/CC, tanto en un sistema previsto como en caracterizaciones completas.

Los tres CC/CC de TI se realizaron de manera muy similar en el sistema simple utilizado en este análisis, y la razón para elegir el TPS61097A-33DBVT fue simplemente que tiene un paquete SOT23-5. Con respecto a la elección del inductor, el inductor de 12 µH debe elegirse debido a su mayor eficiencia y el espacio disponible.

El número de CC/CC e inductores de este artículo se limita a unos pocos, pero este análisis se puede ampliar para incluir los favoritos de cualquier diseñador.

Para obtener más información, consulte la página de características de Qoitech.

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Información sobre el 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.