使用PXI模塊化儀器測(cè)試電源管理芯片

電源管理芯片(PMIC)是用于管理或轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(手機(jī)、平板電腦或汽車ECU)內(nèi)部功率的集成電路。 低功率PMIC，比如移動(dòng)電話和其他空間有限的手持設(shè)備中使用的PMIC可直接安裝到PCB上，是設(shè)備的電源或電池與復(fù)雜電子器件之間的重要接口。 DC-DC電源轉(zhuǎn)換器許多應(yīng)用常見的一種PMIC，其中功率轉(zhuǎn)換電路用于將直流電源的電壓電平上變頻或下變頻為另一個(gè)電壓電平。 無論是生產(chǎn)前的設(shè)計(jì)驗(yàn)證還是評(píng)估DC-DC轉(zhuǎn)換器是否可用于某個(gè)產(chǎn)品，我們均需要一個(gè)可重復(fù)且精確的測(cè)試序列。

標(biāo)準(zhǔn)的DC-DC轉(zhuǎn)換器測(cè)試序列可測(cè)量電壓準(zhǔn)確度、效率、線性/負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)等性能標(biāo)準(zhǔn)。 本文探討了NI系統(tǒng)SMU所具有的功能、精度和速度如何完成許多過去使用電源、數(shù)字萬用表、示波器進(jìn)行的測(cè)試。

1. 測(cè)試元件示例

圖1.TI TPS54360降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器

為了討論典型低功率DC-DC轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)設(shè)置和測(cè)試步驟，我們以TI的TPS54360為例。 如圖1所示，TPS54360是用于汽車和通信系統(tǒng)的降壓轉(zhuǎn)換器。 它可以接受4.5~60 V的輸入電壓，并將這個(gè)電壓范圍下變頻為0.8~58.8V的輸出。 它的最大輸出電流為3.5 A。

通過查看TPS54360 DC-DC轉(zhuǎn)換器規(guī)范的每個(gè)參數(shù)，我們就可以確定驗(yàn)證這些值所需的硬件。

2. 電流消耗

當(dāng)輸出一個(gè)作為輸入電池反饋電壓的電壓時(shí)，許多工程師會(huì)關(guān)注DC-DC轉(zhuǎn)換器消耗的電流。 兩個(gè)有用的電流參數(shù)是器件的關(guān)斷電流和靜態(tài)電流。

關(guān)斷電流：如果要運(yùn)行MAX8640Y DC-DC轉(zhuǎn)換器，電壓必須連接到SHDN引腳。 將SHDN引腳連接至GND或邏輯低電平會(huì)將芯片置于關(guān)斷模式。 制造商通常感興趣的是轉(zhuǎn)換器在該狀態(tài)下消耗的電源電流，該電流稱為關(guān)斷電流。

靜態(tài)電流： 靜態(tài)電流指DC-DC轉(zhuǎn)換器的另一端不施加任何負(fù)載時(shí)消耗的電源電流。 為了分析這個(gè)特性，測(cè)試工程師可以監(jiān)測(cè)以100μV增量掃描電源電壓時(shí)輸入引腳所消耗的功率。 得到的可能是類似于圖2所示的曲線圖。

圖2.TPS54360的靜態(tài)電流分析

表1.TPS54360數(shù)據(jù)表中轉(zhuǎn)換器消耗的電源電流參數(shù)

從表1可知，TPS54360的典型關(guān)斷電流為2.25μA，典型靜態(tài)電流為146μA。

構(gòu)建您自己的測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試電流消耗的一個(gè)理想選擇是NI PXIe-4139精確源測(cè)量單元(SMU)，如圖3所示。該模塊連接芯片后不僅能夠?yàn)樾酒峁┹斎腚妷?，而且可以測(cè)量芯片消耗的電流。 PXI-4139在1 μA范圍內(nèi)的電流測(cè)量分辨率100 fA，這個(gè)分辨率對(duì)于分析靜態(tài)和關(guān)斷電流以及毫微安范圍的泄漏電流特性來說綽綽有余。 您可以在DC-DC轉(zhuǎn)換器測(cè)試系統(tǒng)中使用這個(gè)精確電源來執(zhí)行編程輸出和掃描以及高準(zhǔn)確度測(cè)量。

圖3. NI PXIe-4139插入到測(cè)試系統(tǒng)的插槽1

在接下來的部分中，我們將學(xué)習(xí)如何通過添加一個(gè)PXIe-4139和擴(kuò)展功能來創(chuàng)建這個(gè)PXI系統(tǒng)。 閱讀本文后，您將會(huì)了解如何使用所有必需的硬件來構(gòu)建一個(gè)完整的PXI系統(tǒng)，以進(jìn)行DC-DC轉(zhuǎn)換器測(cè)試。

3. 施加負(fù)載

DC-DC轉(zhuǎn)換器是專為負(fù)載這一個(gè)器件供電而設(shè)計(jì)的。 在DC-DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，負(fù)載電流是指在指定的功率電平下電路下游從DC-DC轉(zhuǎn)換器吸收的電流。 如果在轉(zhuǎn)換器的輸出端施加一個(gè)負(fù)載，就可以分析許多常見工業(yè)參數(shù)的特性，包括效率與負(fù)荷的曲線、直流線性調(diào)整率、DC負(fù)載調(diào)整率和電流極限測(cè)試。

直流線性和負(fù)載調(diào)整率：當(dāng)DC-DC轉(zhuǎn)換器的電源電壓從額定最大值掃描到額定最小值，同時(shí)芯片的輸出保持在滿電流負(fù)載狀態(tài)時(shí)，輸出電壓會(huì)發(fā)生變化。 直流線性調(diào)整率是指輸出電壓的變化百分比，單位為mV/V或百分比。 同樣地，DC負(fù)載調(diào)整率是指當(dāng)電源電壓保持穩(wěn)定且輸出負(fù)載從規(guī)定的最小額定電流變化到最大額定電流或者說滿負(fù)載時(shí)的輸出電壓變化，用mV/A或百分比表示。 負(fù)載調(diào)整率通常在電源電壓維持在額定輸入電壓時(shí)進(jìn)行測(cè)量。 SMU可提供不同的負(fù)載，幫助您繪制類似于圖4的曲線圖來分析這一參數(shù)特性。

圖4.TPS54360數(shù)據(jù)表中規(guī)定的直流線性(左)和負(fù)載(右)調(diào)整率

效率與負(fù)載曲線：效率是消耗功率與輸入功率之比，通常以百分比表示([Vout * Iout] / [Vin * Iin] * 100)。 因此，效率與負(fù)載的曲線可以顯示DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率隨負(fù)載的增加而變化的情況。 我們可能希望顯示不同輸入電壓下的效率與負(fù)載曲線，包括最小輸入電壓、額定輸入電壓和最大輸入電壓。 圖5顯示了TPS54360在各種電源電壓下的效率-負(fù)載曲線。

圖5.TPS54360數(shù)據(jù)表中規(guī)定的直流負(fù)載調(diào)整率

電流極限測(cè)試： 峰值輸出電流限制可確保在過載和/或短路情況下輸出電流被限制在預(yù)設(shè)定的最大值內(nèi)，從而保護(hù)DC-DC轉(zhuǎn)換器不被損壞，您可以在測(cè)試過程中模擬這兩種情況。

構(gòu)建您自己的測(cè)試系統(tǒng)

所有這些測(cè)試都應(yīng)使用SMU來為DC-DC轉(zhuǎn)換器提供不同的電流負(fù)載。 PXI-4139的四象限運(yùn)行功能意味著您可以使用第二個(gè)PXI-4139 SMU來為DC-DC轉(zhuǎn)換器提供負(fù)載，如圖6所示。PXI-4139可連續(xù)吸收高達(dá)12 W的電能，同時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。

圖6. 將第二個(gè)PXIe-4139 SMU插入到測(cè)試系統(tǒng)的插槽3

借助SMU的硬件序列引擎和PXI機(jī)箱的內(nèi)置觸發(fā)功能，您可以同步兩個(gè)SMU的輸出和測(cè)量操作。 這可幫助您快速測(cè)試不同輸入電壓和輸出電流下的DC轉(zhuǎn)換器，如下圖所示，并使用硬件定時(shí)的輸出執(zhí)行大型序列。

圖7.使用NI SMU測(cè)試TPS54360的效率圖

4. 直流范圍和準(zhǔn)確度測(cè)試

構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)需要考慮的另一個(gè)性能標(biāo)準(zhǔn)是DC-DC轉(zhuǎn)換器的電壓準(zhǔn)確度測(cè)量。 由于電路由轉(zhuǎn)換器的輸出供電，因而非常靈敏，所以我們需要保證這些下游組件的電壓讀數(shù)盡可能準(zhǔn)確。

DC范圍測(cè)試：輸出電壓范圍是指DC-DC轉(zhuǎn)換器在滿負(fù)載的條件下可提供的電壓范圍。 如先前所討論的，輸出電壓會(huì)隨著所提供的輸入功率和負(fù)載的變化而變化。 因此，分析這一范圍參數(shù)的特性時(shí)，我們可以測(cè)量負(fù)載處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)換器輸出電壓，然后在不損壞器件的前提下從最大輸入電壓掃描到最小輸入電壓。 TPS54360作為降壓型電源轉(zhuǎn)換器，可接受4.5~60 V的電壓范圍，并輸出0.8 ~ 58.8 V的電壓范圍，如表2所示。[!--empirenews.page--]

DC準(zhǔn)確度測(cè)試：DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓準(zhǔn)確度是指DC-DC轉(zhuǎn)換器在用戶指定的條件下運(yùn)行時(shí)輸出電壓的最大變化量。 準(zhǔn)確度會(huì)隨著溫度的變化和時(shí)間的推移而變化，它通常用一個(gè)預(yù)期或標(biāo)稱值的百分比來表示。 例如，TPS54360的內(nèi)部參考電壓準(zhǔn)確度規(guī)定是-40?150℃溫度范圍內(nèi)±1%。

表2.TPS54360數(shù)據(jù)表規(guī)定的DC范圍規(guī)格

構(gòu)建您自己的測(cè)試系統(tǒng)

PXI系統(tǒng)使用一個(gè)PXI-4139提供輸入電壓，并使用另一個(gè)PXI-4139充當(dāng)可編程負(fù)載。 因此，如果要分析之前所說的DC準(zhǔn)確度特性，唯一需要的測(cè)量是轉(zhuǎn)換器的輸入電壓。 第二個(gè)SMU負(fù)責(zé)測(cè)量該電壓，目的是防止在向DC-DC轉(zhuǎn)換器灌入電流時(shí)由于電壓過大而損壞硬件。 我們只需從硬件上讀取這個(gè)值即可。

在設(shè)計(jì)此測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，請(qǐng)注意，電壓測(cè)量應(yīng)該在DC-DC轉(zhuǎn)換器沒有任何負(fù)載電流的輸出端上進(jìn)行。 如果負(fù)載電流流經(jīng)測(cè)量輸出端導(dǎo)線，可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏差數(shù)毫伏。 測(cè)量設(shè)備準(zhǔn)確度時(shí)要記住的另一點(diǎn)是，測(cè)試設(shè)備的準(zhǔn)確度應(yīng)至少比待測(cè)設(shè)備高10倍。 若非如此，則我們測(cè)量的是測(cè)試設(shè)備的不準(zhǔn)確度，而不是設(shè)備的準(zhǔn)確度。

使用PXI-4139的遠(yuǎn)程感應(yīng)功能即可同時(shí)解決這兩個(gè)問題。 遠(yuǎn)程感應(yīng)是指直接測(cè)量UUT電壓的能力，這樣可避免導(dǎo)線電阻引起電壓降而導(dǎo)致測(cè)量誤差。 由于SMU遠(yuǎn)程感應(yīng)端具有高輸入阻抗，流經(jīng)這些導(dǎo)線的電流可忽略不計(jì)，這樣可減少導(dǎo)線電阻的影響，從而準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)負(fù)載電壓。

PXIe-4139能夠以高準(zhǔn)確度和高精度測(cè)量電壓，只需使用一個(gè)SMU模塊即可進(jìn)行測(cè)量，而以前則需要一個(gè)額外的DMM才能實(shí)現(xiàn)。

表3. PXIe-4139 SMU和PXI-4071 DMM的分辨率和準(zhǔn)確度規(guī)范比較

注意： 如需詳細(xì)了解如何確定特定設(shè)備在一定范圍內(nèi)的分辨率和準(zhǔn)確度，請(qǐng)參考ni.com上該設(shè)備的參數(shù)規(guī)格頁面。

5. 瞬變和噪音

瞬態(tài)響應(yīng)是系統(tǒng)對(duì)平衡發(fā)生變化的響應(yīng)。 制造商可以使用這些圖表來分析DC-DC轉(zhuǎn)換器在啟動(dòng)時(shí)的電壓和電流響應(yīng)及其??如何響應(yīng)線路和負(fù)載的變化，從而獲得DC-DC轉(zhuǎn)換器的過沖/下沖響應(yīng)和穩(wěn)定時(shí)間。

線性瞬態(tài)響應(yīng)： 線性瞬態(tài)響應(yīng)表示的是DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出引腳的電壓和電流如何響應(yīng)輸入電壓的變化。 通過先遞增再遞減輸入電壓，我們可以監(jiān)測(cè)電壓的變化，獲得類似于圖7右上角所示的曲線圖。

負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)： 相反地，如圖7左上方所示，負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)表示的是輸出電流負(fù)載變化后輸出電壓達(dá)到規(guī)定的準(zhǔn)確度所需的時(shí)間。 我們可以通過測(cè)試不同的幅值步長(zhǎng)來充分理解負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，這對(duì)于手機(jī)和數(shù)碼消費(fèi)類產(chǎn)品測(cè)試非常重要。

啟動(dòng)波形：通過PXIe-4139 1.8 MS/s的最高采樣率，我們可以測(cè)量DC-DC轉(zhuǎn)換器的最小接通時(shí)間。 該時(shí)間就是建立時(shí)間，或者輸出處于滿負(fù)載時(shí)輸出電壓達(dá)到指定準(zhǔn)確度所需的時(shí)間。 例如，當(dāng)輸入電壓從零增大至標(biāo)稱電壓時(shí)，輸出達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間就是最小接通時(shí)間。 TPS54360最小接通時(shí)間可在啟用EN引腳且Vin不為零時(shí)測(cè)量，如圖7右下圖所示。

噪聲和紋波：噪聲和紋波是DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出端的交流測(cè)量參數(shù)，單位為mV RMS或mVp-p。 輸出紋波電壓是一系列包含高頻分量的小脈沖，因此通常以mVp-p表示。 DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出端的紋波和噪聲主要有兩個(gè)來源：轉(zhuǎn)換器生成的開關(guān)噪聲和線性電源紋波。 對(duì)于線性波紋，DC-DC轉(zhuǎn)換器電源提供了某種程度的紋波抑制;通過轉(zhuǎn)換器的殘余紋波會(huì)出現(xiàn)在負(fù)載上。 濾掉輸出紋波的最常用方法是在轉(zhuǎn)換器的輸出端串聯(lián)添加電感和并聯(lián)添加電容，這通常稱為“LC網(wǎng)絡(luò)”。 由于噪聲和紋波中包含高頻分量，因此應(yīng)該使用具有高帶寬的數(shù)字化儀進(jìn)行測(cè)量，使波紋尖峰中的所有主要諧波都包含在內(nèi)。

圖8.TPS54360數(shù)據(jù)表中規(guī)定的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)(左上);

TPS54360數(shù)據(jù)表規(guī)定的線性瞬態(tài)響應(yīng)(右上);

TPS54360數(shù)據(jù)表中規(guī)定的啟動(dòng)波形(底部);

構(gòu)建您自己的測(cè)試系統(tǒng)

傳統(tǒng)的瞬態(tài)和噪聲測(cè)試方法需要使用示波器，通過探針來測(cè)量DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出線。 然而，PXIe-4139 SMU的1.8 MS/s采樣率足以分析線性和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性，而且可以避免增加另一個(gè)儀器導(dǎo)致的復(fù)雜性和成本。 圖8顯示的PXIe-4139 SMU正在測(cè)量TPS54360的負(fù)載和線性瞬態(tài)行為。 在這些測(cè)試中，SMU分別充當(dāng)了精確直流電源、外部負(fù)載和示波器。 外部負(fù)載在500 μs的脈沖內(nèi)從最大電流的25%增加到75%，SMU負(fù)責(zé)測(cè)量DC轉(zhuǎn)換器的電流消耗和電壓輸出。

注意： NI SourceAdapt技術(shù)能夠以快速上升時(shí)間實(shí)現(xiàn)500 μs脈沖且不出現(xiàn)過沖或振蕩，它是一種數(shù)字控制循環(huán)技術(shù)，可允許您控制SMU的瞬態(tài)行為。

圖9.使用NI SMU分析的TPS54360負(fù)載和線性瞬態(tài)特性

對(duì)于更高速的采集或頻譜分析，您可以輕松地將高速示波器添加到系統(tǒng)中，只需將板卡插入到PXI機(jī)箱的外設(shè)插槽即可。 NI提供了多種PXI示波器，可讓您在一個(gè)PXI插槽中實(shí)現(xiàn)高達(dá)24位垂直分辨率或5 GS/s采樣率的高分辨率或高速測(cè)量。 例如，使用PXIe-5162 4通道5 GS/s 10位示波器探測(cè)DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出，您就可以通過軟件前面板來查看噪聲的頻率分量。 在本例中，您可以看到600 kHz附近的開關(guān)噪聲為數(shù)毫伏。

圖10.使用PXIe-5162示波器繪制的雙通道頻率圖

6. 測(cè)試系統(tǒng)擴(kuò)展和自動(dòng)化

PXI架構(gòu)使得擴(kuò)展測(cè)試系統(tǒng)的功能變得非常簡(jiǎn)單。 您可以將任意數(shù)量的附加PXI模塊插入PXI機(jī)箱的其余插槽中。 測(cè)試DC-DC轉(zhuǎn)換器通常需要的一些硬件包括具有RF和混合信號(hào)測(cè)量功能能的PXI模塊、用于時(shí)序分析和連接的高速數(shù)字I/O，以及用于閉環(huán)控制和協(xié)議感知測(cè)試的基于FPGA的I/O。

通過NI軟硬件的緊密集成，您可以實(shí)現(xiàn)PXI測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)化，通過準(zhǔn)確、可重復(fù)的定時(shí)來獲得一致的數(shù)據(jù)。 您可以使用NI LabVIEW軟件等開發(fā)環(huán)境來輕松編寫測(cè)試序列，然后借助現(xiàn)成可用的強(qiáng)大測(cè)試管理軟件NI TestStand來實(shí)現(xiàn)序列自動(dòng)化，完成上面所說的所有參數(shù)測(cè)試。

圖11顯示了一個(gè)擴(kuò)展機(jī)箱示例。

圖11.擴(kuò)展機(jī)箱示例

7. 推薦的硬件

PXI系統(tǒng)需要一個(gè)PXI機(jī)箱和一個(gè)集成控制器。

本系統(tǒng)所使用的硬件組件包括：

NI PXIe-4139精確源測(cè)量單元

NI PXIe-5162高速數(shù)字化儀