Выбор катушки индуктивности и конденсатора для повышающего преобразователя

Я работаю над проектом IoT, который включает в себя Arduino и модуль 4G LTE. Устройство будет работать от двух щелочных батареек. И Arduino, и модуль LTE требуют входного напряжения 3,3 В, поэтому я хочу разработать повышающий преобразователь, который надежно обеспечивает 3,3 В в диапазоне напряжений от 1,6 до 3,1. Устройство будет находиться в глубоком сне большую часть дня и просыпаться только 2-3 раза в день в течение короткого периода времени, поэтому важным требованием преобразователя является низкий ток покоя. В то время как Arduino не потребляет много тока (50-100 мА), модулю LTE требуется до 1,2 А тока в бодрствующем состоянии.

Выполняя поиск подходящих повышающих преобразователей, я наткнулся на TPS613221ADBVR . Он имеет низкий ток покоя (6,5 мкА) и может обеспечить ток до 1,6 А. Но, учитывая мои ограниченные познания в электрических цепях, я немного ошеломлен, когда дело доходит до выбора правильных катушек индуктивности и конденсаторов. Техническое описание превосходно и дает два примера того, как выбрать катушку индуктивности / конденсатор для заданных требований: выход 2,2 В при 50 мА (пример 1) и выход 5 В при 500 мА (пример 2).

Требования в моем случае следующие:

  • Входное напряжение: 1,6 В ~ 3,1 В
  • Выходное напряжение: 3,3 В
  • Выходной ток: 1,2 А
  • Пульсации выходного напряжения: ?? (как узнать?)

Какие катушки индуктивности и конденсаторы выбрать? Нужен ли мне диод Шоттки и если да, то какой? Какие пульсации выходного напряжения допустимы?

В таблице есть все необходимые формулы и значения. На каком этапе вам нужна помощь? Или позвольте компьютеру сделать это за вас .
Также ОЧЕНЬ внимательно прочитайте спецификацию. Если вам нужно 1,2 А при 3,3 В от 1,6 В, его переключатель должен обрабатывать 3,3/1,6 * 1,2 А, около 2,5 А. Если этот переключатель рассчитан на 1,6 А, ... очень плохо.
Спасибо @BrianDrummond! Я не думал об этом ограничении.
@КЛ. Power Designer выглядит как отличный инструмент. К сожалению, это ошибка, когда я использую выходной ток> 0,2 А. Может быть, чтобы помочь мне начать, как узнать, какие пульсации выходного напряжения может выдержать нагрузка? Модуль LTE, например, может выдерживать входное напряжение от 3,0 В до 3,6 В. Означает ли это, что у меня могут быть пульсации выходного напряжения ± 0,3 В для выхода 3,3 В?
Вообще говоря, что-либо цифровое будет работать намного лучше, чем меньше и медленнее пульсация. Я полагаю, что более крупные пульсации на скорости, близкой к рабочей, были бы хуже. Поскольку вы находитесь в начале процесса проектирования и используете калькулятор, я бы начал с «разумной пульсации» и посмотрел, какие компоненты вам понадобятся, а затем постепенно уменьшал пульсацию и перепроверял компоненты. Если вы можете найти готовый источник питания (с любым входным напряжением), который, как вы точно знаете, подходит для использования, вы можете проверить пульсации на выходе заведомо исправного источника и использовать его по максимуму.
Спасибо @KH, подход, который вы предлагаете, звучит разумно. Теперь мне нужно достать осциллограф. Я думаю, что нет другого пути, хотя они довольно дороги;)
Если вам не нужен модный, присмотритесь и закажите дрянной цифровой с 1 или 2 каналами за 20 или 40 баксов. Я с нетерпением жду высокого качества с дополнительными элементами управления, быстрым откликом и тому подобным, но в то же время он по-прежнему современный, цифровой и достаточно точный. Я действительно не тестировал его до предела частоты, но он, вероятно, также ниже, чем 700 долларов =)
Это может быть интересно людям, разрабатывающим подобные повышающие преобразователи: Learn.adafruit.com/minty-boost/process

Ответы (2)

TPS613221A имеет типовое ограничение тока переключения 1,2 А, а гарантированный минимум 0,75 А. В любом случае, максимальный выходной ток другой (как показано по формуле (1)).

По крайней мере, для катушки индуктивности 2,2 мкА пытаться получить из нее 1,3 А было бы плохой идеей:

Выходной ток TPS613221A

Вам нужен более мощный повышающий преобразователь, например TPS61021A:

Выходной ток TPS61021A

И ввод ваших требований (1,6–3,1 В, 3,3 В, 1,3 А) в инструмент TI Webench действительно приводит к разработке, основанной на TPS61021A, с катушкой индуктивности 1 мкГн (SRU1028-1R0Y) и конденсаторами 10/30 мкФ:

1,6–3,1 В в 3,3 В, повышающий преобразователь 1,3 А

Это именно то, что мне было нужно @CL. Я знаю, что мой первоначальный вопрос звучал так, будто мне просто лень самому заниматься математикой. Но я был настолько ошеломлен, что даже не знал, с чего начать. Я попробую и посмотрю, насколько хорошо он работает. Нужен ли мне диод Шоттки с этой схемой? Кроме того, мне было любопытно, будет ли ток покоя меняться в зависимости от катушек индуктивности/конденсаторов/резисторов, которые я использую?
Если бы в этой схеме был нужен Шоттки, инструмент добавил бы его. Iq определяется микросхемой, током через делитель обратной связи и любыми токами утечки.
Понятно. Теперь самое интересное, как припаять вручную корпус WSON-8 (2 мм x 2 мм), такой как TPS61021A... вздох

Боюсь, вы попали в распространенную ловушку, связанную с конвертерами Boost, забыв, что:

Входной ток = выходной ток * коэффициент усиления / эффективность

1,2 ампера при 3,3 вольта это 4 ватта. Преобразователь не может создавать энергию, поэтому он должен потреблять от входа не менее 4 Вт. При 1,6В это 2,5А. Если мы учтем реалистичный КПД 80%, это будет близко к 3,1 Ампер.

Проблема: щелочные батареи типа АА или ААА не могут обеспечить такой ток. Посмотрим на их внутреннее сопротивление, здесь данные от Energizer.

введите описание изображения здесь

Таким образом, два новых аккумулятора будут иметь общее сопротивление 0,3-0,4 Ом при температуре от 10°C до 25°C, что уже приводит к существенному падению напряжения... но внутреннее сопротивление также увеличивается по мере разряда аккумуляторов:

введите описание изображения здесь

( источник )

Ток в 500 мА в центре графика снижает напряжение батареи на 0,2 В, поэтому ее внутреннее сопротивление составляет 0,4 Ом. Две батареи, соединенные последовательно, будут иметь сопротивление 0,8 Ом. Ожидать от них 4 Вт нереально, слишком сильно падает напряжение.

Решение:

Попробуйте получить хорошее представление о токе, который нужен вашему модулю, с помощью осциллографа. Скорее всего, это будет низкий средний ток, состоящий из ряда сильных всплесков тока. Измерьте высоту и ширину текущих шипов.

Затем вы можете решить, можете ли вы использовать конденсатор для обеспечения энергией во время сильных скачков тока и сгладить его до более низкого среднего тока, который может выдержать ваша батарея, или вам действительно нужна другая батарея, способная выдерживать высокий переходный ток, например литиевая. Затем вы можете решить, какой преобразователь использовать, но не раньше, чем убедитесь, что батарея может обеспечить необходимую мощность.

Да, спасибо @peufeu за ваши мысли о батареях. Я знаю пределы двух щелочных батарей AA, поэтому я хочу использовать шесть щелочных батарей AA (3 x 2). Две последовательно соединенные батареи имеют емкость около 2500 мА. Использование 3 из них параллельно увеличит емкость примерно до 7500 мА. Это должно уменьшить общее внутреннее сопротивление. Я упомянул только две батареи в своем первоначальном вопросе, чтобы помочь понять диапазон напряжений, с которым я имею дело (1,6–3,1). Причина, по которой я хочу использовать щелочные аккумуляторы, заключается в том, что они имеют гораздо более низкую скорость саморазряда, чем NiMH, LiIon или Lipo.
@DanielSchnabel Если у вас есть 6 батарей, подключите их последовательно и используйте понижающий преобразователь вместо повышающего, это будет более эффективно.
Вы даете мне новую идею @peufeu. Действительно, понижающие преобразователи немного более эффективны, чем повышающие преобразователи. Таким образом, диапазон напряжения, о котором мы говорим, составляет 4,8 В - 9,3 В (6 щелочных последовательно). Однако кажется, что понижающие преобразователи обычно имеют более высокий ток покоя, чем повышающие преобразователи (~ 1-5 мА). Может быть, я просто не нашел такой, который имеет приемлемый низкий ток покоя (~ 5-20 мкА). В любом случае, спасибо за подсказку!
Выбор катушки индуктивности и конденсатора для повышающего преобразователя
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v