사례 연구: TI DC/DC 컨버터 특성화

배경/문제점

IoT 장치에서는 배터리로부터 최대한 많은 에너지를 얻을 수 있는 효율적인 전력 관리 시스템이 필요합니다. 따라서 배터리의 전압을 증폭하여 소비자에게 전달할 수 있는 효과적인 DC/DC 컨버터를 설계하는 것이 중요합니다. 이 예에서는 1.5V 알카라인 배터리를 사용하여 3.3V 출력을 획득했습니다. 효과적으로 설계하려면 다양한 지식과 측정값이 필요합니다. 소규모 IoT 기업에서는 일반적으로 고가의 측정 장비에 접근하는 데 제한이 있습니다. 따라서 이 기사에서는 두 가지 저렴하고 빠른 설계 지원에 관해 설명합니다.

1. 배터리 수명 기간 내에 대상 시스템의 효율 값을 계산하여 설계자가 가장 효과적인 DC/DC 컨버터와 인덕터를 선택하도록 도와줍니다.
2. Otii 두 개를 사용하여 전체 작동 범위에 대해 인덕터가 다른 하나 이상의 DC/DC 컨버터를 완전히 특성화할 수 있도록 도와줍니다. 그러면 설계자가 배터리 성능을 최대화하는 최적의 조합을 선택할 수 있습니다.

측정 설정

사례 1

Qoitech AB의 Otii-Arc-001(이하 Otii)은 배터리 역할을 하며, 1.5V부터 0.9V까지 전압을 스위핑하고 DC/DC의 출력 에너지(Otii 확장 포트 ADC 측정 전류 및 전압)를 DC/DC에 대한 입력 에너지(Otii 기본 전류 및 전압)로 나누어 효율을 측정합니다. 부하는 테스트 중인 장치(DUT, 즉 대상 시스템)입니다. 나중에 설명하겠지만, 정확한 평균값을 계산할 수 있도록 충분히 오랫동안 측정해야 합니다.

그림 1: 사례 1에 대한 측정 설정 (이미지 출처: Qoitech AB)

그림 1에 표시된 설정을 위해 DUT에서는 30초마다 온도, 습도, 빛을 10회 측정하여 평균을 구합니다. 총 효율 값은 주어진 전압 레벨에서 배터리 잔량에 가중치를 적용하여 계산합니다. 자세한 내용은 그림 2를 참조하세요. 여기서 배터리 레벨은 해당 시간의 9% 동안 1.5V, 8% 동안 1.4V 등으로 예상됩니다. 이는 정확하지는 않지만, 이 사례에 적합한 예측입니다.

그림 2: AAA 배터리 방전 프로파일 (이미지 출처: Qoitech AB)

사례 2

소싱 Otii 중 하나는 배터리 역할을 하며 1.5V부터 0.9V까지 전압을 스위핑하고 측정 도구로 사용됩니다. 다른 Otii는 싱크 1mA에서 시작한 후 3mA, 5mA, 10mA, 30mA, 50mA를 거쳐 마지막 90mA(DC/DC 상한: 100mA)에서 프로그래밍 가능한 정전류 부하 역할을 합니다.

그림 3: 사례 2에 대한 측정 설정 (이미지 출처: Qoitech AB)

소싱 Otii는 출력 에너지(Otii 확장 포트 ADC 측정 전류 및 전압)를 입력 에너지(Otii 기본 전류 및 전압)로 나누어 효율을 측정합니다. 일반적으로 출력 전압에 출력 전류를 곱한 후 입력 전압에 입력 전류를 곱한 값으로 나누지만 Otii는 에너지를 계산하여 표시하므로 훨씬 더 간편합니다.

또한 Otii 도구에서는 SENSE+ 입력과 SENSE- 입력을 사용하여 감지하는 단자 4개를 통해 입력 전압과 출력 전압을 측정할 수 있습니다. 저항이 낮고 짧은 케이블로 Otii가 연결되고 전류가 매우 낮으므로 여기서는 이에 관해 설명하지 않습니다.

Otii 두 개 또는 연결된 모든 Otiis와 모든 측정값(기본 전류, 기본 전압, 확장 포트 ADC 전류, 확장 포트 ADC 전압, SENSE+, SENSE- 등)이 동일한 창에 표시되므로 생성되는 데이터를 매우 쉽게 확인할 수 있습니다.

결과

이러한 사례에서는 3가지 Texas Instruments DC/DC를 사용했습니다.

• TPS61097A-33DBVT
• TLV61220DBVR
• TPS61221DCKT

앞서 언급한 대로 DUT에 대해 10번(배터리 전압당 10초 x 30초 = 5분)의 측정값을 구했습니다. 그림 4는 TPS91097A-33DVBT DC/DC의 캡처 화면을 보여줍니다.

그림 4: 사례 1 Otii 측정, TPS91097A-33DVBT (이미지 출처: Qoitech AB)

Otii 도구를 사용하면 출력 에너지를 입력 에너지로 나누어 효율을 매우 쉽게 계산할 수 있습니다. 그런 다음 사례 1에 대한 측정 설정의 설명에 따라 효율 값에 가중치를 적용합니다. 3가지 DC/DC에 대한 개요는 모두 그림 5에서 확인할 수 있습니다.

그림 5: 다른 DC/DC에 대한 효율 계산 (이미지 출처: Qoitech AB)

lua 스크립트(https://www.lua.org)를 사용하여 Otii에서 자동으로 계산할 수도 있지만, 그림 5에서는 보기 쉽게 Excel로 표시합니다.

3가지 DC/DC는 소형 4.7H 칩 인덕터에서 거의 동일한 성능을 나타냈습니다. DC/DC 조사를 계속하기 위해 다른 인덕터를 사용하여 효율 향상이 있는지 확인했습니다. Bourns 인덕터 3개와 Murata 인덕터 1개를 선택했습니다.

• 4.7H(Murata)
• 4.7H(Bourns)
• 12H(Bourns)
• 22H(Bourns)

22H 인덕터는 너무 커서 이 응용 제품에 맞지 않지만, 성능을 보여주기 위해 사용했습니다.

이전과 동일한 설정을 사용하고 TPS61097A-33DBVT를 DC/DC로 선택하고 인덕터를 변수로 선택했습니다(그림 6).

그림 6: 다른 인덕터에 대한 효율 계산 (이미지 출처: Qoitech AB)

예상한 대로 인덕터의 저항이 더 크고 낮을수록 DC/DC 솔루션의 효율이 높아졌습니다. 하지만 대형 22H 인덕터에는 아직 적합하지 않습니다.

DC/DC의 동작에 대해 자세히 알아보기 위해 사례 2를 사용하여 입력 전압 및 부하 범위에 대해 DC/DC를 세부적으로 특성화했습니다.

먼저 그림 7은 대형 22H 인덕터의 측정값을 보여줍니다. 그림 8은 다른 인덕터의 동일한 분석을 보여줍니다.

그림 7: 사례 2, 대형 22H 인덕터를 사용한 TPS61097A-33DVBT에 대한 Otii 측정 (이미지 출처: Qoitech AB)

싱크 Otii는 싱크 1mA에서 시작한 후 3mA, 5mA, 10mA, 30mA, 50mA를 거쳐 90mA에서 완료됩니다. 모든 배터리 전압에서 이 과정이 반복됩니다.

그림 7에 표시된 대로 DC/DC는 낮은 입력 전압에서 90mA를 처리할 수 없습니다. DC/DC는 낮은 전압을 조절할 수 없으며 진동합니다.

쉽게 분석하여 플롯으로 나타내기 위해 Matlab에서 가져온 데이터는 .csv 파일에 저장되었습니다. 그림 8의 출력 전류를 기준으로 효율 플롯을 작성합니다.

그림 8: 다른 인덕터에 대한 DC/DC 효율을 보여주는 Matlab 그래프 (이미지 출처: Qoitech AB)

다른 부하 조건의 DC/DC 동작을 나타내는 데 매우 유용한 방법입니다.

결론

Otii는 의도한 시스템에서 DC/DC 효율을 쉽게 분석하고 완벽히 특성화할 수 있는 매우 유용한 도구입니다.

3가지 TI DC/DC가 이 분석에 사용된 간단한 시스템에서 매우 비슷한 성능을 나타냈으며, TPS61097A-33DBVT를 선택한 이유는 SOT23-5 패키지로 제공되기 때문이었습니다. 인덕터의 경우, 12H 인덕터가 효율이 더 높고 공간 측면에서 적합하여 선택했습니다.

이 기사에서는 DC/DC 수와 인덕터 수가 제한되지만, 설계자가 원할 경우 이 분석을 확장할 수 있습니다.

자세한 정보는 Qoitech의 특징 페이지를 확인하세요.