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【罗姆评估板】罗姆电池管理解决方案评估板--深度评测

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  •       NB-IoT是构建物联网的一个重要分支,广泛应用于智慧电表,智能家居,门磁系统等场合。以上应用场合很多情况下设备处于待机状态,要求系统具有极低的待机功耗达到10年电池寿命,这对供电电源管理芯片待机功耗要求极高。

          ROHM的Nano Enegy技术具有超高效率和超低代理功耗特点,待机静态电流可以达到180nA, 非常适用于该NB-IoT模组供电需求,另外BD70522GUL尺寸仅为1.76x1.56mm可以降低PCB总面积。

          有幸拿到ROHM的电池管理评估板REFLVBMS001-EVK-001,下面是对该评估板的介绍和测试,主要是针对低Iq BUCK芯片BD70522GUL进行测试评估。

    1. 系统构成

    可以看到该系统板由一个充电管理芯片BD71631QWZ+低Iq BUCK芯片BD70522GUL+ 电压检测(复位)芯片BD5230NVX+一片极薄(0.45mm厚)锂电池构成。

    ■ 充电管理芯片BD71631QWZ

    其中BD71631QWZ用于对锂电池进行充电控制,从手册中看到芯片控制充电过程分为三个阶段:

    • 首先会以0.5倍设定充电电流对电池进行恒流预充电直到电压达到设定的预充电阈值VPRE;

    • 当电池电压达到预充电阈值时芯片以1倍设定电流恒流充电;

    • 当电池电压达到电池设定电压值时,芯片进入恒压充电模式减小充电电流对电池进行保护。

    ■ 低Iq BUCK芯片BD70522GUL

    ▪ 这颗芯片主打低Iq,从手册上看工作静态电流Typ值仅为180nA,关机电流为50nA,这个电流级别测试对设备精度也提出了很高的要求,后面打算使用6位半精度设备对其进行测试;

    • 另外看到该IC采用COT(constant on time)控制方式以提高动态响应速度;后面会测试动态跳变来看下这颗IC的响应速度表现;

    ■ 电压检测(复位)芯片BD5230NVX

    • 这颗芯片主要用来检测电池电压,防止锂电池过放损伤;

    • 值得一提的是这颗芯片非常小,只有W(Typ) x D(Typ) x H(Max)=1.00 mm x 1.00 mm x 0.60 mm,对手工焊接提出了很高要求,后面测试buck IC的静态电流时会把这颗芯片拿掉。

    ■ EnerCera 锂电池EC382704P-C

    这个锂电池4.3V满电容量有27mAh,另外电池超薄只有0.45mm厚,可以进行弯曲,官网给出了一幅图片,可以用于贴在酒瓶表面进行电子标签供电。

    2. 测试篇

    ■ Battery供电开机

    首先测试一下电池供电系统上电时序,这里用电源供电代替锂电池(记得先把锂电池拆下来哦)

    CH1: VIN, 电源输入电压模拟锂电池供电;

    CH2: EN, BUCK的使能端也是Reset IC的输出端;

    CH3: SW, BUCK开关节点SW波形;

    CH4: Vout波形;

    CH5: PG信号;

    整个上电过程为:CH1电池电压VIN上电达到3.1V时->CH2 Reset芯片输出高即buck EN置高->delay 大约5ms后buck IC软启动开机,软启动时间大约为2.4ms->软启动结束,Vout输出正常PG信号输出高电平.

    PG:Power Good信号,用来指示BUCK IC是否输出正常,内部是Open Drain结构,需要上拉。

    ■ Battery供电关机

    同样用电源模拟锂电池供电关机,可以看到当VIN下降到2.975V时Reset芯片输出低将BUCK EN拉低,BUCK开始关机,Vout下降。(该波形为空载测试,buck处于burst模式,所以SW会有很长一段时间为高)

    ■ BUCK芯片稳态纹波

    CH2: VOUT(ac 耦合);

    CH3: SW;

    CH7: iL,电感电流;

    以下是3.6Vin-3.3Vout工况下的纹波测试。

    ▪ 空载纹波-7mV Vpp

    可以看出该芯片支持Burst模式,控制逻辑也很简单,当Vout达到设定high值时SW关闭,等待Vout降低到设定low值时SW动作上管开通向输出传递能量Vout升高,可以看出每隔大约80ms开关管才动作一次,这也是该芯片能做到极低功耗的一个原因。

    不过因为是burst模式,也就意味着开关频率会随着负载的变化而发生改变,后面缓慢增加负载也会开到开关频率的变化。

    ▪ 10uA负载纹波-15mV Vpp

    10uA负载时输出Vout ripple大小不均匀,这也导致了Ripple增大,这是因为脉冲个数有1-2个不固定导致,推测主要是内部检测Vout时有noise干扰导致比较器动作次数不固定。

    ▪ 1mA负载纹波-7mV Vpp

    1mA负载脉冲已经可以均匀打出,ripple形状比较固定

    ▪ 100mA负载纹波-7mV Vpp

    100mA负载电感电流已经进入CCM

    ▪ 500mA满载纹波-20mV Vpp

    ■ BUCK芯片空满载起机测试

    CH1: VIN;

    CH2: VOUT;

    CH3: SW;

    CH7: iL,电感电流;

    ▪ 空载起机波形, 电感电流最大值达到340mA

    ▪ 满载500mA起机波形, 电感电流最大值达到863mA,因此选择电感时要考虑余量防止电感饱和;

    ■ BUCK芯片动态负载测试

    buck采用的COT控制,该控制方法最大的优势就是响应迅速,很多VR buck场合都会采用这种控制方法,下面我们来看看动态响应如何吧

    ▪ 0-500mA 跳变测试

    放大细节来看一下:

    0-500mA加载恢复时间用了16us,电压跌落达到了87mv,效果并没有很惊艳。

    500mA-0mA减载恢复用了30us左右,电压过冲60mV。

    ▪ 250-500mA 半载切满载跳变测试

    250mA和500mA buck均工作在CCM状态,调整时间快了很多,均在10个us左右。

    整体来看,消费级使用动态效果已经算是不错的了。

    ■ BUCK芯片输出短路测试

    最后来看看当输出短路时,芯片会如何应对。

    可以看到数出短路时电感电流最高冲到1.344A,从芯片内部来看,对buck上下管均进行了电流采样,应该对上管和下管都设置了OCP限流点

    ■ BUCK芯片效率测试

    测试设备采用Keysight 6位半精度双通道SMU B2912,测试采用keysight上位机软件Quick IV,设置Vin 3.6,4.2和5.5V三个点;Iout 设置10uA-0.5A 共200个点对数序列扫描。整个过程可以在几分钟内完成,另外设置测量速度为Long-10PLC尽量减小测量误差。

    可以看到10uA负载基本上效率就已经上90%了,效率方面表现优异,最高效率点在3.6Vin 负载130mA左右,达到了97%。

    ■ BUCK芯片空载和shutdown关机电流

    最后到了这颗芯片主打的低功耗测试,3.6Vin3.3Vout空载时仅有188nA输入电流,将EN短路芯片shutdown测试输入电流仅有6nA,纳闷怎么shutdown电流只有6nA比规格书标称的typ值小很多。

    ▪ 3.6Vin-3.3Vout 空载输入电流

    ▪ 3.6Vin-EN接地shutdown时输入电流

    总体来看这颗芯片在IoT应用方面表现还是很不错的,极低的空载和shutdown电流,极高的轻载效率,还算满意的动态效果和表现优异的输出ripple水平。

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  • madeshuan

    LV.1

    07-19 06:25

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    不错,性能不错

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