사례 연구: TI DC/DC 컨버터 특성화

작성자: Björn Rosqvist

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 ABOtii-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.

사례 1에 대한 Qoitech 측정 설정 이미지

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.

AAA 배터리의 방전 프로파일 그래프

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.

사례 2에 대한 Qoitech 측정 설정 이미지

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.

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

Qoitech의 사례 1 Otii 측정, TPS91097A-33DVBT 이미지

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.

다른 DC/DC에 대한 효율 계산표

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.

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).

다른 인덕터에 대한 효율 계산표

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.

사례 2의 이미지, 대형 22H 인덕터를 사용한 TPS61097A-33DVBT에 대한 Otii 측정

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.

다른 인덕터에 대한 DC/DC 효율을 보여주는 Matlab 그래프 이미지

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.

Otii 스크립트

전체 Otii 스크립트, Otii 프로젝트 파일, .csv 파일 및 Matlab 코드는 여기서 확인할 수 있습니다.

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.

면책 조항: 이 웹 사이트에서 여러 작성자 및/또는 포럼 참가자가 명시한 의견, 생각 및 견해는 Digi-Key Electronics의 의견, 생각 및 견해 또는 Digi-Key Electronics의 공식 정책과 관련이 없습니다.

작성자 정보

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.