充分利用IoT设备的电池寿命，重要的设计考虑因素之一是如何将电池（一个或多个）连接到负载。的选择通常是通过DC / DC转换器连接两者，从而实现功率调节，以确保为特定应用提供相关的电源，请参阅下面与我们的LDO比较或直接连接。这样，许多应用程序都可以在地消耗电池电量的情况下运行，并且将不必要的能耗降至。为了获得这种情况，DC / DC转换器需要随着时间的推移展现出IoT设备所需的电压和电流的高效率。那么，如何知道某个DC / DC转换器是否适合您的系统，并且与电池以及设备或设备中的子系统相匹配？
DC / DC转换器数据手册给出了明显的指示，但是，找出方法是将DC / DC效率表征为整个设计系统的一部分。在这篇技术文章中，我们展示了如何做到这一点。
系统描述
我们研究了一个系统的DC / DC效率，该系统由1.5V碱性电池和一个将Arduino Pro Mini的电压升至3.3V的DC / DC转换器组成，见图1。Arduino板上的计时器启动系统以一定的间隔。在这些开机间隔期间，我们希望系统尽可能高效地运行。我们希望系统在整个电池寿命周期内利用1 – 10 mA（活动模式）范围内的DC / DC转换器的高效率，同时要注意随着时间的推移电池电压会不断下降。对于睡眠模式功耗超过活动模式功耗的系统，DC / DC的效率并不那么重要。
图1被测物联网系统
电池特性
将负载RL连接到空载电压E的电池时，负载的电压会由于电池的内阻Ri而下降。由于内部电阻上的电压降，随着负载电流的增加，电池电压U会降低。纽扣电池和AAA电池具有较高的内部电阻，因此无法向它们加载大电流，因为输出电压会太低。
图2带有负载和内阻的电池
如果负载是电阻性的（例如使用简单的电阻器），则从电池消耗的电流将随着电池放电和电压下降而降低。当将DC / DC转换器连接到电池时，向相同的负载提供固定的输出电压，则当电池电压下降时，从电池汲取的电流将增加。这将加速放电，使电压进一步下降，从而导致电流进一步增加等等。
DC / DC转换器
在此处使用的DC / DC转换器的数据表（参见图3）中，效率表示为特定电压（在这种情况下为1.2V）下负载电流的函数。我们需要更多有关系统的信息，例如，效率范围约为?0.8V – 1.5V。将此曲线作为从电池汲取的电流的函数，并具有DC / DC自耗和包括其成分（主要是电感器）的损耗。
图3 DC / DC转换器特性
当电压开始下降时，从DC / DC转换器汲取的电流开始增加，这导致电池电压降低（请注意，在此研究中我们仅检查室温下的行为）。升压型DC / DC转换器的效率通常随较低的输入电压而降低。
测量设置和执行
对于DC / DC表征，Otii用作系统的电源，既充当电池，又充当测量单位。Otii可以为系统供电，同时测量DC / DC转换器的输出电压和电流，这很方便。通过将输出功率除以输入功率，可以计算出效率。
为了能够测量来自DC / DC转换器的输出电流，需要一个检测电阻，请参见图4。该电阻的值必须足够高以提供足够的分辨率以进行测量，但又必须足够低以免引入太大的电压下降并且不超过并联电压限值。
图4 Otii测量设置
在此示例中，使用了4.7欧姆的检测电阻。这将导致在8mA电流下产生37mV的电压降，这不会影响Arduino的性能。Otii的ADC扩展端口电压范围为-81.9175mV至81.2mV，因此37mV处于该范围内。
一个简单的应用程序在Arduino Mini上运行，使LED闪烁，同时测量该特定用例的DC / DC效率。
在Otii桌面应用程序中运行Lua测量脚本，以将输入电压从1.5V（充满电的电池）设置为0.9V（几乎为空），并随时间计算DC / DC转换器的效率，以反映实际用例。每个电压将导出一个.csv文件，其中包含测量和计算。
在每次测量之间，将禁用电源以重置系统。这样，可以看到系统的整个启动阶段和活动阶段。脚本文件和保存的.csv文件可在下面的部分中找到。
结果
图5测量期间的Otii
图5显示，无论输入电压如何，DC / DC转换器的输出电流（图中的ARC ADC电流）都相对恒定。只要DC / DC转换器按设计工作，就可以预期到这一点。但是，当输入电压降低时，输入电流（ARC主电流，见图5）增加。
图6显示了不同电池电压下的DC / DC效率。DC / DC转换器的平均效率随电池电压变化很大。在1.5V时，效率超过87％，而在0.9V时，效率已降至79％以下。这是使用Arduino作为负载进行测量的，LED点亮时消耗约5.1mA的电流，熄灭时消耗约3.6mA的电流。不出所料，数据手册中的值为电池电压较高提供了很好的指示，但是对于电压较低的情况，则没有提供此数据，因此表征的重要性显而易见。
图6 Matlab测量结果图
结论
大多数由电池供电的IoT设备将其大部分时间都花费在睡眠模式下，仅消耗很少的功率，然后定期唤醒，在短时间内执行任务，从而消耗更多的功率。活动概况通常对于每种类型的产品以及设计都是的。
没有适合所有这些不同产品的电源设计。为了找到设计，您需要表征电池和负载，设计电源管理，然后验证整个系统设计。在此技术文章中，我们展示了如何针对特定的物联网设计示例描述作为DC / DC转换器的电源管理的特性。
DC / DC转换器的数据表清楚地表明了其性能，但它是通用的并且经常受限制，因此，找出方法是将DC / DC效率表征为整个设计中的系统的一部分。使用Otii工具时的一项直接任务。
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