Étude de cas : caractérisation d'un convertisseur CC/CC de TI

Par Björn Rosqvist

Contexte/problème

Dans les dispositifs IoT, il est essentiel de disposer d'un système de gestion de l'alimentation efficace pour tirer le maximum d'énergie de la batterie. Il est important, entre autres, de concevoir un convertisseur CC/CC efficace, augmentant la tension de la batterie pour le consommateur. Dans cet exemple, nous utilisons une pile alcaline de 1,5 V pour obtenir une sortie de 3,3 V. Pour obtenir une conception haut rendement, de nombreuses connaissances et mesures sont requises. Une petite société IoT a généralement un accès limité à un équipement de mesure coûteux, et cet article présente deux aides à la conception rapides et économiques.

  1. La première consiste à calculer une valeur de rendement pour un système cible sur toute la durée de vie de la pile, aidant le concepteur à choisir le convertisseur CC/CC et l'inductance les plus efficaces.
  2. La deuxième permet de caractériser entièrement un ou plusieurs convertisseurs CC/CC avec différentes inductances, sur l'ensemble de la plage de travail associée, en utilisant deux outils Otii. Au final, le concepteur peut alors choisir la meilleure combinaison pour optimiser les performances de la pile.

Configuration des mesures

Cas 1

L'outil Otii-Arc-001 de Qoitech AB (appelé Otii dans la suite de l'article) joue le rôle de la pile, balayant la tension de 1,5 V à 0,9 V, mesurant le rendement en divisant l'énergie de sortie du convertisseur CC/CC (courant et tension de mesure CAN du port d'extension Otii) par l'énergie d'entrée vers le convertisseur CC/CC (courant et tension principaux Otii). La charge est le DUT (dispositif testé, c'est-à-dire le système cible). Il est important de noter que les mesures doivent être suffisamment longues pour permettre de calculer la moyenne correcte. Nous en discuterons plus loin.

Image de configuration des mesures Qoitech pour le Cas 1

Figure 1 : Configuration des mesures pour le Cas 1. (Source de l'image : Qoitech AB)

Pour la configuration illustrée à la Figure 1, le dispositif testé mesure la température, l'humidité et la lumière toutes les 30 secondes et 10 cycles de ce type sont utilisés pour calculer la moyenne. La valeur de rendement totale est calculée en pondérant la durée pendant laquelle la pile restera à un niveau de tension donné (voir Figure 2), où il est estimé que la pile sera à 1,5 V pendant 9 % du temps, à 1,4 V pendant 8 % du temps, etc. Ce n'est pas tout à fait correct, mais c'est une estimation adéquate pour ce cas.

Graphique du profil de décharge de la pile AAA

Figure 2 : Profil de décharge de la pile AAA. (Source de l'image : Qoitech AB)

Cas 2

Un outil Otii source agit en tant que pile, balayant la tension de 1,5 V à 0,9 V. Cet outil Otii source est celui qui effectue les mesures. L'autre outil Otii agit comme une charge à courant constant programmable, commençant à partir de 1 mA, 3 mA, 5 mA, 10 mA, 30 mA, 50 mA et enfin 90 mA (la limite supérieure CC/CC est de 100 mA).

Image de la configuration des mesures Qoitech pour le Cas 2

Figure 3 : Configuration des mesures pour le Cas 2. (Source de l'image : Qoitech AB)

L'outil Otii source mesure le rendement en divisant l'énergie de sortie (courant et tension de mesure CAN du port d'extension Otii) par l'énergie d'entrée (courant et tension principaux Otii). Habituellement, la tension de sortie multipliée par le courant de sortie est divisée par la tension d'entrée multipliée par le courant d'entrée, mais comme l'outil Otii calcule et affiche l'énergie, son utilisation est beaucoup plus simple.

L'outil Otii offre également la possibilité de mesurer les tensions d'entrée et de sortie avec la détection à quatre bornes à l'aide des entrées SENSE+ et SENSE-. Ce sujet ne sera pas abordé dans cet article en raison du courant relativement faible et du fait que l'outil Otii est connecté avec des câbles courts à faible résistance.

Les deux outils Otii, ou autant d'outils Otii connectés, et toutes les mesures (courant principal, tension principale, courant CAN du port d'extension, tension CAN du port d'extension, SENSE+, SENSE-, etc.) sont présentés dans la même fenêtre, facilitant ainsi l'affichage des données générées.

Résultats

Trois convertisseurs CC/CC différents de Texas Instruments ont été utilisés dans les cas en question.

Comme indiqué précédemment, les mesures ont été effectuées sur 10 périodes pour le dispositif testé, soit 10 x 30 s = 5 min pour chaque tension de pile. La Figure 4 illustre une capture d'écran du convertisseur CC/CC TPS91097A-33DVBT.

Image de mesure d'outil Otii Qoitech Cas 1, TPS91097A-33DVBT

Figure 4 : Mesure d'outil Otii Cas 1, TPS91097A-33DVBT. (Source de l'image : Qoitech AB)

L'outil Otii facilite le calcul du rendement en divisant l'énergie de sortie par l'énergie d'entrée. Cette valeur de rendement est ensuite pondérée conformément à la description donnée dans la configuration des mesures pour le Cas 1. Un aperçu des trois convertisseurs CC/CC est présenté à la Figure 5.

Tableau de calcul de rendement pour les différents convertisseurs CC/CC

Figure 5 : Calcul du rendement pour les différents convertisseurs CC/CC. (Source de l'image : Qoitech AB)

Ce calcul peut également être effectué automatiquement dans Otii avec les scripts lua (https://www.lua.org), mais la Figure 5 le montre dans Excel pour le rendre plus visible.

Les trois convertisseurs CC/CC ont obtenu à peu près les mêmes performances avec la petite inductance pastille de 4,7 µH. Pour poursuivre l'analyse au niveau des convertisseurs CC/CC, différentes inductances ont été utilisées pour déterminer si le rendement augmentait. Trois différentes inductances de Bourns et une inductance de Murata ont été choisies.

L'inductance de 22 µH était trop importante pour cette application, mais il était intéressant de voir les performances.

La même configuration que précédemment a été utilisée avec le TPS61097A-33DBVT choisi comme convertisseur CC/CC et l'inductance comme variable (Figure 6).

Tableau de calcul du rendement pour différentes inductances

Figure 6 : Calcul du rendement pour différentes inductances. (Source de l'image : Qoitech AB)

Les résultats étaient ceux attendus, une solution CC/CC à rendement plus élevé résulte en une inductance de résistance plus importante et plus faible. Cependant, l'importante inductance de 22 µH n'est pas la solution.

Pour en savoir plus sur le comportement du convertisseur CC/CC, le Cas 2 a été utilisé afin d'acquérir une caractérisation plus détaillée du convertisseur CC/CC sur une plage de tensions d'entrée et de charges.

Pour commencer, la Figure 7 présente les mesures de l'importante inductance de 22 µH. La Figure 8 montre la même analyse sur les autres inductances.

Image du Cas 2, mesure Otii pour le TPS61097A-33DVBT avec une importante inductance de 22 µH

Figure 7 : Cas 2, mesure Otii pour le TPS61097A-33DVBT avec une importante inductance de 22 µH. (Source de l'image : Qoitech AB)

L'outil Otii commence par absorber 1 mA, puis 3 mA, 5 mA, 10 mA, 30 mA, 50 mA et enfin 90 mA. Cela est répété pour toutes les tensions de la pile.

Comme on peut le voir sur la Figure 7, le convertisseur CC/CC ne peut pas gérer 90 mA pour les tensions d'entrée inférieures. Le convertisseur CC/CC ne peut pas réguler ces faibles tensions et commence à osciller.

Les données sont stockées dans des fichiers .csv importés par Matlab pour faciliter l'analyse et les tracés. Le rendement est représenté en fonction du courant de sortie à la Figure 8.

Image des graphiques Matlab illustrant le rendement CC/CC pour différentes inductances

Figure 8 : Graphiques Matlab illustrant le rendement CC/CC pour différentes inductances. (Source de l'image : Qoitech AB)

C'est un excellent moyen de voir le comportement du convertisseur CC/CC dans différentes conditions de charge.

Script Otii

Les scripts Otii complets, les fichiers de projet Otii, les fichiers .csv et le code Matlab sont disponibles ici.

Conclusion

Otii est un outil très utile pour analyser facilement le rendement d'un convertisseur CC/CC, à la fois dans un système prévu et pour des caractérisations complètes.

Les trois convertisseurs CC/CC de TI ont présenté des performances très similaires dans le système simple utilisé dans cette analyse et la raison du choix du TPS61097A-33DBVT était tout simplement parce qu'il dispose d'un boîtier SOT23-5. En ce qui concerne le choix de l'inductance, il convient de choisir l'inductance de 12 µH en raison de son rendement plus élevé et de l'espace.

Le nombre de convertisseurs CC/CC et d'inductances indiqué dans cet article est limité à quelques-uns, mais cette analyse peut être étendue pour inclure tous les favoris du concepteur.

Pour plus d'informations, veuillez consulter la page des fonctionnalités de Qoitech.

Avertissement : les opinions, convictions et points de vue exprimés par les divers auteurs et/ou participants au forum sur ce site Web ne reflètent pas nécessairement ceux de Digi-Key Electronics ni les politiques officielles de la société.

À propos de l'auteur

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.