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解密低静态电流(low Iq):如何使用WEBENCH为超低功耗应用设计近100%的占空比

关键词:智能电表 降压转换器 电池

时间:2019-09-17 16:11:45       来源:德州仪器

许多电池供电的应用需要降压转换器才能在100%占空比条件下工作,其中VIN接近VOUT,以便在电池电压达到最低值时延长电池续航时间。

例如,假设有两节锂-二氧化锰(Li-MnO2)电池为智能电表供电。Li-MnO2电池是一次性非充电电池,由于使用寿命较长(长达20年),再加上比锂亚硫酰氯电池更具成本效益,其在智能电表或水表中的应用日益广泛。

图1所示为两个串联(2s1p)的Li-MnO2电池的系统配置,然后逐步降压为微控制器供电。   


图1:智能电表电源架构

超低静态电流(IQ)DC/DC转换器可帮助您设计电池寿命长达20年的应用。智能电表应用的负载曲线并非连续负载,而是可变负载曲线。为了延长电池寿命,系统仅会偶尔消耗高电流(发送无线信号或启动阀门),然后再回到极低负载状态。此类负载曲线能够在微安培范围内实现低平均电流消耗。在这种轻负载下的高效率需要超低静态电流IQ,尤其是在关断时间内。关断时间内的电流消耗可能远低于平均电流消耗。

德州仪器的 TPS62840 超低功耗降压转换器的工作IQ仅为60 nA,可以调节3.3-V电源轨。TPS62840在100%模式下具有极低的静态电流IQ - 150 nA ,进一步延长了电池续航时间。

为了更好地帮您设计和模拟超低电源电路,WEBENCH® Power Designer 这款在线工具可根据您的规格创建定制电源设计。

在我们的示例中,每节电池的平均电压约为3.0 V。新电池的初始电压约为3.2 V,完全放电后电压可降至2 V以下。假设每节电池放电降至1.8 V且新电池的电压为3.2 V时,请将这些参数输入WEBENCH Power Designer(图2)。


图2:在WEBENCH Power Designer中输入的设计规范

在WEBENCH®PowerDesigner搜索工具中使用3.6 V最小输入电压可产生51种可能的器件,但TPS62840并非其中一种。  这是为什么?

WEBENCH专注于两个初始参数,以帮您找到适合您系统的最佳器件:

VINMIN > VOUT是WEBENCH Power Designer在降压转换器拓扑结构的用户输入中寻找的首检参数。如果VINMIN > VOUT,那么WEBENCH Power Designer会选择降压转换器作为解决方案列表的一部分。如果VINMIN ≤ VOUT,WEBENCH Power Designer会建议使用降压 - 升压转换器调节您的VOUT,而非使用100%占空比模式下工作的降压转换器。这是因为WEBENCH希望为您提供一个解决方案,即使VINMIN ≤ VOUT,您的VOUT也会受到调节。

通过首检后,复检将验证计算的占空比是否大于降压转换器数据表中规定的最大占空比。对于可在100%占空比模式下工作的降压转换器,99.9%用作阈值。计算占空比时包括损耗。这增加了WEBENCH Power Designer中计算的占空比,远远高于理想的VOUT/VIN

选择众多器件后,WEBENCH Power Designer会为每个器件执行详细设计。

根据使用的输入参数,可以观察到以下三种不同结果:

TPS62840 WEBENCH Power Designer型号的VIN为3.2 V 到6.4 V、IOUT_MAX = 0.75 A 和 VOUT = 3.3 V(图3)。


图3:输入电压过低时的故障消息

由于最小VIN低于VOUT,设计更新失败。此设计未通过WEBENCH的首检。

TPS62840 WEBENCH Power Designer型号的VIN为3.6 V 到6.4 V、IOUT_MAX = 0.75 A 和 VOUT = 3.3 V(图4)。


图4:占空比过高时的故障消息

该设计不会更新,因为计算时的占空比包括高侧MOSFET RDSON和电感器DCR等损耗。此处,占空比值大于99.9%。此设计未通过WEBENCH的复检。

在VIN为3.7 V 到6.4 V、IOUT_MAX = 0.75 A 和 VOUT = 3.3 V的TPS62840 WEBENCH Power Designer上选择设计界面(图5)。


图 5:WEBENCH Power Designer中显示的TPS62840

最后一个示例显示了TPS62840,因为此设计通过了两次检查。

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

输入电压和输出电压之间增加一个充足的delta,以减少占空比。

降低输出电流,以减少损耗并减少占空比。

这两种解决方案都能使WEBENCH Power Designer使用TPS62840进行设计。在实际应用中,在100%下模式工作是正常的并且通常是可接受的,以便使电池完全放电。在100%模式下,降压转换器的输出电压随着电池电压的降低而降低。但这仍然适合大多数负载的系统规格。

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