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解密低靜態電流(low Iq):如何使用WEBENCH為超低功耗應用設計近100%的占空比

作者:時間:2019-09-17來源:電子產品世界收藏

許多的應用需要降壓轉換器才能在100%占空比條件下工作,其中VIN接近VOUT,以便在電池電壓達到最低值時延長電池續航時間。

本文引用地址:http://www.sncsn.tw/article/201909/404896.htm

例如,假設有兩節鋰-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用日益廣泛。

圖1所示為兩個串聯(2s1p)的Li-MnO2電池的系統配置,然后逐步降壓為微控制器供電。

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圖1:智能電表電源架構

超低(IQ)DC/DC轉換器可幫助您設計電池壽命長達20年的應用。智能電表應用的負載曲線并非連續負載,而是可變負載曲線。為了延長電池壽命,系統僅會偶爾消耗高電流(發送無線信號或啟動閥門),然后再回到極低負載狀態。此類負載曲線能夠在微安培范圍內實現低平均電流消耗。在這種輕負載下的高效率需要超低IQ,尤其是在關斷時間內。關斷時間內的電流消耗可能遠低于平均電流消耗。

德州儀器的 TPS62840 超低功耗降壓轉換器的工作IQ僅為60 nA,可以調節3.3-V電源軌。TPS62840在100%模式下具有極低的IQ - 150 nA,進一步延長了電池續航時間。

為了更好地幫您設計和模擬超低電源電路,WEBENCH Power Designer 這款在線工具可根據您的規格創建定制電源設計。

在我們的示例中,每節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。假設每節電池放電降至1.8 V且新電池的電壓為3.2 V時,請將這些參數輸入WEBENCH Power Designer(圖2)。

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圖2:在WEBENCH Power Designer中輸入的設計規范

在WEBENCH?PowerDesigner搜索工具中使用3.6 V最小輸入電壓可產生51種可能的器件,但TPS62840并非其中一種。  這是為什么?

WEBENCH專注于兩個初始參數,以幫您找到適合您系統的最佳器件:

1.    VINMIN > VOUT是WEBENCH Power Designer在降壓轉換器拓撲結構的用戶輸入中尋找的首檢參數。如果VINMIN > VOUT,那么WEBENCH Power Designer會選擇降壓轉換器作為解決方案列表的一部分。如果VINMIN ≤ VOUT,WEBENCH Power Designer會建議使用降壓 - 升壓轉換器調節您的VOUT,而非使用100%占空比模式下工作的降壓轉換器。這是因為WEBENCH希望為您提供一個解決方案,即使VINMIN ≤ VOUT,您的VOUT也會受到調節。

2.    通過首檢后,復檢將驗證計算的占空比是否大于降壓轉換器數據表中規定的最大占空比。對于可在100%占空比模式下工作的降壓轉換器,99.9%用作閾值。計算占空比時包括損耗。這增加了WEBENCH Power Designer中計算的占空比,遠遠高于理想的VOUT/VIN

選擇眾多器件后,WEBENCH Power Designer會為每個器件執行詳細設計。

根據使用的輸入參數,可以觀察到以下三種不同結果:

·         TPS62840 WEBENCH Power Designer型號的VIN為3.2 V 到6.4 V、IOUT_MAX = 0.75 A 和 VOUT = 3.3 V(圖3)。

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圖3:輸入電壓過低時的故障消息

由于最小VIN低于VOUT,設計更新失敗。此設計未通過WEBENCH的首檢。

·         TPS62840 WEBENCH Power Designer型號的VIN為3.6 V 到6.4 V、IOUT_MAX = 0.75 A 和 VOUT = 3.3 V(圖4)。

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圖4:占空比過高時的故障消息

該設計不會更新,因為計算時的占空比包括高側MOSFET RDSON和電感器DCR等損耗。此處,占空比值大于99.9%。此設計未通過WEBENCH的復檢。

·         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上選擇設計界面(圖5)。

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圖 5:WEBENCH Power Designer中顯示的TPS62840

最后一個示例顯示了TPS62840,因為此設計通過了兩次檢查。

如何在接近100%占空比時更有效地使用WEBENCH Power Designer:

·        輸入電壓和輸出電壓之間增加一個充足的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進行設計。在實際應用中,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負載的系統規格。

其他資源

·    閱讀我們的技術文章,了解所有電源軌是否需要低靜態電流Iq。

·    考慮智能電表的TI設計。



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