如何使用WEBENCH為超低功耗應(yīng)用設(shè)計(jì)近100%的占空比
發(fā)布時(shí)間:2020-09-23 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】許多電池供電的應(yīng)用需要降壓轉(zhuǎn)換器才能在100%占空比條件下工作,其中VIN接近VOUT,以便在電池電壓達(dá)到最低值時(shí)延長電池續(xù)航時(shí)間。
例如,假設(shè)有兩節(jié)鋰-二氧化錳(Li-MnO2)電池為智能電表供電。Li-MnO2電池是一次性非充電電池,由于使用壽命較長(長達(dá)20年),再加上比鋰亞硫酰氯電池更具成本效益,其在智能電表或水表中的應(yīng)用日益廣泛。
圖1所示為兩個(gè)串聯(lián)(2s1p)的Li-MnO2電池的系統(tǒng)配置,然后逐步降壓為微控制器供電。
圖1:智能電表電源架構(gòu)
超低靜態(tài)電流(IQ)DC/DC轉(zhuǎn)換器可幫助您設(shè)計(jì)電池壽命長達(dá)20年的應(yīng)用。智能電表應(yīng)用的負(fù)載曲線并非連續(xù)負(fù)載,而是可變負(fù)載曲線。為了延長電池壽命,系統(tǒng)僅會(huì)偶爾消耗高電流(發(fā)送無線信號(hào)或啟動(dòng)閥門),然后再回到極低負(fù)載狀態(tài)。此類負(fù)載曲線能夠在微安培范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)低平均電流消耗。在這種輕負(fù)載下的高效率需要超低靜態(tài)電流IQ,尤其是在關(guān)斷時(shí)間內(nèi)。關(guān)斷時(shí)間內(nèi)的電流消耗可能遠(yuǎn)低于平均電流消耗。
德州儀器的 TPS62840 超低功耗降壓轉(zhuǎn)換器的工作IQ僅為60 nA,可以調(diào)節(jié)3.3-V電源軌。TPS62840在100%模式下具有極低的靜態(tài)電流IQ - 150 nA ,進(jìn)一步延長了電池續(xù)航時(shí)間。
為了更好地幫您設(shè)計(jì)和模擬超低電源電路,WEBENCH® Power Designer 這款在線工具可根據(jù)您的規(guī)格創(chuàng)建定制電源設(shè)計(jì)。
在我們的示例中,每節(jié)電池的平均電壓約為3.0 V。新電池的初始電壓約為3.2 V,完全放電后電壓可降至2 V以下。假設(shè)每節(jié)電池放電降至1.8 V且新電池的電壓為3.2 V時(shí),請(qǐng)將這些參數(shù)輸入WEBENCH Power Designer(圖2)。
圖2:在WEBENCH Power Designer中輸入的設(shè)計(jì)規(guī)范
在WEBENCH®PowerDesigner搜索工具中使用3.6 V最小輸入電壓可產(chǎn)生51種可能的器件,但TPS62840并非其中一種。 這是為什么?
WEBENCH專注于兩個(gè)初始參數(shù),以幫您找到適合您系統(tǒng)的最佳器件:
1. VINMIN > VOUT是WEBENCH Power Designer在降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的用戶輸入中尋找的首檢參數(shù)。如果VINMIN > VOUT,那么WEBENCH Power Designer會(huì)選擇降壓轉(zhuǎn)換器作為解決方案列表的一部分。如果VINMIN ≤ VOUT,WEBENCH Power Designer會(huì)建議使用降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)您的VOUT,而非使用100%占空比模式下工作的降壓轉(zhuǎn)換器。這是因?yàn)閃EBENCH希望為您提供一個(gè)解決方案,即使VINMIN ≤ VOUT,您的VOUT也會(huì)受到調(diào)節(jié)。
2. 通過首檢后,復(fù)檢將驗(yàn)證計(jì)算的占空比是否大于降壓轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)表中規(guī)定的最大占空比。對(duì)于可在100%占空比模式下工作的降壓轉(zhuǎn)換器,99.9%用作閾值。計(jì)算占空比時(shí)包括損耗。這增加了WEBENCH Power Designer中計(jì)算的占空比,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于理想的VOUT/VIN。
選擇眾多器件后,WEBENCH Power Designer會(huì)為每個(gè)器件執(zhí)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。
根據(jù)使用的輸入?yún)?shù),可以觀察到以下三種不同結(jié)果:
● TPS62840 WEBENCH Power Designer型號(hào)的VIN為3.2 V 到6.4 V、IOUT_MAX = 0.75 A 和 VOUT = 3.3 V(圖3)。
圖3:輸入電壓過低時(shí)的故障消息
由于最小VIN低于VOUT,設(shè)計(jì)更新失敗。此設(shè)計(jì)未通過WEBENCH的首檢。
● TPS62840 WEBENCH Power Designer型號(hào)的VIN為3.6 V 到6.4 V、IOUT_MAX = 0.75 A 和 VOUT = 3.3 V(圖4)。
圖4:占空比過高時(shí)的故障消息
該設(shè)計(jì)不會(huì)更新,因?yàn)橛?jì)算時(shí)的占空比包括高側(cè)MOSFET RDSON和電感器DCR等損耗。此處,占空比值大于99.9%。此設(shè)計(jì)未通過WEBENCH的復(fù)檢。
● 在VIN為3.7 V 到6.4 V、IOUT_MAX = 0.75 A 和 VOUT = 3.3 V的TPS62840 WEBENCH Power Designer上選擇設(shè)計(jì)界面(圖5)。
圖 5:WEBENCH Power Designer中顯示的TPS62840
最后一個(gè)示例顯示了TPS62840,因?yàn)榇嗽O(shè)計(jì)通過了兩次檢查。
如何在接近100%占空比時(shí)更有效地使用WEBENCH Power Designer:
● 輸入電壓和輸出電壓之間增加一個(gè)充足的delta,以減少占空比。
● 降低輸出電流,以減少損耗并減少占空比。
這兩種解決方案都能使WEBENCH Power Designer使用TPS62840進(jìn)行設(shè)計(jì)。在實(shí)際應(yīng)用中,在100%下模式工作是正常的并且通常是可接受的,以便使電池完全放電。在100%模式下,降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓隨著電池電壓的降低而降低。但這仍然適合大多數(shù)負(fù)載的系統(tǒng)規(guī)格。
其他資源
● 閱讀我們的技術(shù)文章,了解所有電源軌是否需要低靜態(tài)電流Iq
● 考慮智能電表的TI設(shè)計(jì)
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