德州儀器：如何使用WEBENCH?為超低功耗應用設計近100%的占空比

北京2019年9月17日 /美通社/ -- 近日，德州儀器發(fā)表一篇關于《解密低靜態(tài)電流（low Iq）：如何使用WEBENCH®為超低功耗應用設計近100%的占空比》的文章，以下為文章原文：

許多電池供電的應用需要降壓轉換器才能在100%占空比條件下工作，其中V_IN接近V_OUT，以便在電池電壓達到最低值時延長電池續(xù)航時間。

例如，假設有兩節(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(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

超低靜態(tài)電流（I_Q）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(xù)負載，而是可變負載曲線。為了延長電池壽命，系統(tǒng)僅會偶爾消耗高電流（發(fā)送無線信號或啟動閥門），然后再回到極低負載狀態(tài)。此類負載曲線能夠在微安培范圍內(nèi)實現(xiàn)低平均電流消耗。在這種輕負載下的高效率需要超低靜態(tài)電流I_Q，尤其是在關斷時間內(nèi)。關斷時間內(nèi)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I_Q僅為60 nA，可以調節(jié)3.3-V電源軌。TPS62840在100%模式下具有極低的靜態(tài)電流I_Q - 150 nA，進一步延長了電池續(xù)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(jù)您的規(guī)格創(chuàng)建定制電源設計。 

在本文的示例中，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。假設每節(jié)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(shù)輸入WEBENCH Power Designer（圖2）。

圖2：在WEBENCH Power Designer中輸入的設計規(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專注于兩個初始參數(shù)，以幫您找到適合您系統(tǒng)的極佳器件：

1. V_INMIN > V_OUT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(shù)。如果V_INMIN > V_OUT，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V_INMIN 小于等于 V_OUT，WEBENCH Power Designer 會建議使用降壓 - 升壓轉換器調節(jié)您的V_OUT，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V_INMIN小于等于V_OUT，您的V_OUT也會受到調節(jié)。 
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(shù)據(jù)表中規(guī)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V_OUT/V_IN。 

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

根據(jù)使用的輸入?yún)?shù)，可以觀察到以下三種不同結果：

• TPS62840 WEBENCH Power Designer 型號的V_IN為3.2 V 到6.4 V、I_{OUT_MAX} = 0.75 A 和 V_OUT = 3.3 V（圖3）。

圖3：輸入電壓過低時的故障消息

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

• TPS62840 WEBENCH Power Designer型號的V_IN為3.6 V 到6.4 V、I_{OUT_MAX} = 0.75 A 和 V_OUT = 3.3 V。 

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V_IN為3.7 V 到6.4 V、I_{OUT_MAX} = 0.75 A 和 V_OUT = 3.3 V的TPS62840 WEBENCH Power Designer 上選擇設計界面。

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(shù)負載的系統(tǒng)規(guī)格。 

其他資源

• 請閱讀技術文章，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設計。

原文鏈接：https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2019/07/15/deciphering-low-iq-using-webench-to-simulate-100-duty-cycle-for-ultra-low-power-applications