Auswahl von Induktor und Kondensator für den Aufwärtswandler

Ich arbeite an einem IoT-Projekt, das ein Arduino- und ein 4G-LTE-Modul beinhaltet. Das Gerät wird mit zwei Alkali-Batterien betrieben. Sowohl das Arduino- als auch das LTE-Modul benötigen einen 3,3-V-Eingang, daher möchte ich einen Aufwärtswandler entwickeln, der zuverlässig 3,3 V aus einem Spannungsbereich von 1,6 bis 3,1 liefert. Das Gerät befindet sich die meiste Zeit des Tages im Tiefschlaf und wacht nur 2-3 Mal am Tag für kurze Zeit auf, daher ist eine wichtige Anforderung an den Wandler ein niedriger Ruhestrom. Während das Arduino nicht viel Strom zieht (50mA-100mA), benötigt das LTE-Modul im Wachzustand bis zu 1,2A Strom.

Bei meiner Recherche nach geeigneten Aufwärtswandlern bin ich auf den TPS613221ADBVR gestoßen . Es hat einen niedrigen Ruhestrom (6,5 µA) und kann bis zu 1,6 A Strom liefern. Aber angesichts meiner begrenzten Kenntnisse in elektrischen Schaltungen bin ich etwas überfordert, wenn es um die Auswahl der richtigen Induktivitäten und Kondensatoren geht. Das Datenblatt ist ausgezeichnet und enthält zwei Beispiele zur Auswahl von Induktivitäten/Kondensatoren für die gegebenen Anforderungen von 2,2 V Ausgang bei 50 mA (Beispiel 1) und 5 V Ausgang bei 500 mA (Beispiel 2).

Die Anforderungen in meinem Fall sind wie folgt:

  • Eingangsspannung: 1,6 V ~ 3,1 V
  • Ausgangsspannung: 3,3 V
  • Ausgangsstrom: 1,2 A
  • Welligkeit der Ausgangsspannung: ?? (wie findet man das heraus?)

Welche Induktivitäten und Kondensatoren wähle ich? Benötige ich eine Schottky-Diode und wenn ja, welche? Welche Welligkeit der Ausgangsspannung kann toleriert werden?

Das Datenblatt enthält alle erforderlichen Formeln und Werte. Bei welchem ​​Schritt benötigen Sie Hilfe? Oder lassen Sie es einen Computer für Sie erledigen .
Lesen Sie auch die Spezifikation SEHR sorgfältig durch. Wenn Sie 1,2 A bei 3,3 V ab 1,6 V Eingang benötigen, muss der Schalter 3,3/1,6 * 1,2 A verarbeiten, etwa 2,5 A. Wenn dieser Schalter für 1,6 A ausgelegt ist, ... schade.
Danke @BrianDrummond! An diese Einschränkung habe ich nicht gedacht.
@CL. Der Power Designer sieht aus wie ein großartiges Werkzeug. Leider schlägt es fehl, wenn ich einen Ausgangsstrom > 0,2A verwende. Vielleicht um mir den Einstieg zu erleichtern, woher weiß ich, welche Welligkeit der Ausgangsspannung eine Last tolerieren kann? Das LTE-Modul verträgt beispielsweise Eingangsspannungen von 3,0 V bis 3,6 V. Bedeutet das, dass ich eine Ausgangsspannungswelligkeit von ± 0,3 V für einen 3,3-V-Ausgang haben kann?
Im Allgemeinen funktioniert alles Digitale viel besser, je weniger und je langsamer die Welligkeit ist. Größere Wellen näher an der Betriebsgeschwindigkeit wären schlimmer, würde ich mir vorstellen. Da Sie am Anfang Ihres Designprozesses stehen und einen Taschenrechner verwenden, würde ich mit "angemessener Welligkeit" beginnen und sehen, welche Komponenten Sie benötigen würden, und dann die Welligkeit schrittweise verringern und die Komponenten erneut überprüfen. Wenn Sie ein vorgefertigtes Netzteil (mit beliebiger Eingangsspannung) finden, von dem Sie sicher wissen, dass es in Ordnung ist, können Sie die Ausgangswelligkeit des bekanntermaßen guten Netzteils überprüfen und es maximal verwenden.
Danke @KH, der Ansatz, den Sie vorschlagen, klingt vernünftig. Jetzt muss ich mir ein Oszilloskop besorgen. Da führt wohl kein Weg dran vorbei, auch wenn sie recht teuer sind ;)
Wenn Sie keinen ausgefallenen brauchen, schauen Sie sich um und bestellen Sie einen beschissenen digitalen mit 1 oder 2 Kanälen für 20 oder 40 Dollar. Ich freue mich darauf, ein qualitativ hochwertiges mit zusätzlichen Bedienelementen und schneller Reaktion und so zu haben, aber in der Zwischenzeit ist es immer noch modern, digital und einigermaßen genau. Ich habe es nicht wirklich bis zu seiner Frequenzgrenze getestet, aber das ist wahrscheinlich auch weniger als 700 $ =)
Dies könnte für Leute interessant sein, die Boost-Konverter dieser Art entwickeln: learn.adafruit.com/minty-boost/process

Antworten (2)

Der TPS613221A hat eine typische Schalterstromgrenze von 1,2 A, und das garantierte Minimum beträgt 0,75 A. Der maximale Ausgangsstrom ist jedenfalls anders (wie in Formel (1) gezeigt).

Zumindest für eine Induktivität von 2,2 µA wäre es eine schlechte Idee, 1,3 A daraus herauszuholen:

TPS613221A Ausgangsstrom

Sie benötigen einen stärkeren Aufwärtswandler wie den TPS61021A:

TPS61021A Ausgangsstrom

Und wenn Sie Ihre Anforderungen (1,6–3,1 V, 3,3 V, 1,3 A) in das Webench-Tool von TI eingeben , führt dies tatsächlich zu einem Design, das auf dem TPS61021A basiert, mit einer 1-µH-Induktivität (SRU1028-1R0Y) und 10/30-µF-Kondensatoren:

1,6-3,1 V bis 3,3 V, 1,3 A Hochsetzsteller

Das ist genau das, was ich brauchte @CL. Ich weiß, meine anfängliche Frage klang so, als wäre ich nur zu faul, um selbst zu rechnen. Aber ich war so überwältigt, dass ich gar nicht wusste, wo ich anfangen sollte. Ich werde das ausprobieren und sehen, wie gut es funktioniert. Benötige ich bei dieser Schaltung eine Schottky-Diode? Außerdem war ich neugierig, ob der Ruhestrom je nach den von mir verwendeten Induktivitäten / Kondensatoren / Widerständen variiert?
Wenn in dieser Schaltung ein Schottky benötigt würde, hätte das Tool ihn hinzugefügt. Iq wird durch den Chip, den Strom durch den Rückkopplungsteiler und eventuelle Leckströme bestimmt.
Habe es. Jetzt kommt der lustige Teil, um herauszufinden, wie man ein WSON-8-Gehäuse (2 mm x 2 mm) wie das TPS61021A von Hand lötet ... seufz

Ich fürchte, Sie sind in eine häufige Falle im Zusammenhang mit Boost-Konvertern geraten, indem Sie Folgendes vergessen haben:

Eingangsstrom = Ausgangsstrom * Boost-Verhältnis / Effizienz

1,2 Ampere bei 3,3 V sind 4 Watt. Der Konverter kann keine Energie erzeugen, also muss er mindestens 4 Watt aus dem Eingang ziehen. Bei 1,6 V sind das 2,5 Ampere. Wenn wir einen realistischen Wirkungsgrad von 80 % berücksichtigen, liegt dieser bei etwa 3,1 Ampere.

Problem: AA- oder AAA-Alkalibatterien können diese Art von Strom nicht liefern. Schauen wir uns ihren Innenwiderstand an, hier sind die Daten von Energizer.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Zwei frische Batterien haben also zwischen 10 °C und 25 °C insgesamt 0,3-0,4 Ohm, was bereits zu einem erheblichen Spannungsabfall führt ... aber der Innenwiderstand steigt auch, wenn sich die Batterien entladen:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

( Quelle )

Um die Mitte des Diagramms herum senkt ein Strom von 500 mA die Batteriespannung um 0,2 V, sodass ihr Innenwiderstand 0,4 Ohm beträgt. Zwei Batterien in Reihe wären 0,8 Ohm. Es ist nicht realistisch, 4 Watt von diesen zu erwarten, die Spannung wird viel zu stark abfallen.

Lösung:

Versuchen Sie, mit einem Oszilloskop eine gute Vorstellung vom Strom zu bekommen, den Ihr Modul benötigt, es wird höchstwahrscheinlich ein niedriger Durchschnittsstrom sein, der sich aus einer Reihe von hohen Stromspitzen zusammensetzt. Messen Sie die Höhe und Breite der Stromspitzen.

Dann können Sie entscheiden, ob Sie einen Kondensator verwenden können, um Energie während hoher Stromspitzen bereitzustellen und diesen auf einen niedrigeren Durchschnittsstrom zu glätten, den Ihre Batterie verarbeiten kann, oder ob Sie tatsächlich eine andere Batterie benötigen, die für hohe Übergangsströme wie Lithium geeignet ist. Dann können Sie entscheiden, welchen Konverter Sie verwenden möchten, aber nicht, bevor Sie sicher sind, dass die Batterie die erforderliche Leistung liefern kann.

Ja, danke @peufeu für deine Gedanken zu den Batterien. Ich bin mir der Grenzen von zwei AA-Alkalibatterien bewusst, weshalb ich sechs AA-Alkalibatterien (3 x 2) verwenden möchte. Zwei Batterien in Reihe haben eine Kapazität von ca. 2500mA. Wenn Sie 3 davon parallel verwenden, erhöht sich die Kapazität auf etwa 7500 mA. Dies sollte den gesamten Innenwiderstand verringern. Ich habe in meiner ersten Frage nur zwei Batterien erwähnt, um den Spannungsbereich zu verstehen, mit dem ich es zu tun habe (1,6 - 3,1). Der Grund, warum ich Alkaline verwenden möchte, ist, dass sie eine viel geringere Selbstentladungsrate haben als NiMH, LiIon oder Lipos.
@DanielSchnabel Wenn Sie 6 Batterien haben, verdrahten Sie sie in Reihe und verwenden Sie einen Buck-Konverter anstelle eines Boost, es wird effizienter.
Du bringst mich auf eine neue Idee @peufeu. Abwärtswandler sind tatsächlich etwas effizienter als Aufwärtswandler. Der Spannungsbereich, über den wir sprechen, beträgt also 4,8 V - 9,3 V (6 Alkaline in Reihe). Es scheint jedoch, dass Abwärtswandler im Allgemeinen einen höheren Ruhestrom haben als Aufwärtswandler (~ 1-5 mA). Vielleicht habe ich einfach keinen gefunden, der einen akzeptabel niedrigen Ruhestrom (~ 5-20 uA) hat. Trotzdem danke für den Tipp!
Auswahl von Induktor und Kondensator für den Aufwärtswandler
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