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電源管理芯片(PMIC)是用于管理或轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(手機、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電壓電平。 無論是生產(chǎn)前的設(shè)計驗證還是評估DC-DC轉(zhuǎn)換器是否可用于某個產(chǎn)品，我們均需要一個可重復(fù)且精確的測試序列。
標(biāo)準(zhǔn)的DC-DC轉(zhuǎn)換器測試序列可測量電壓準(zhǔn)確度、效率、線性/負載調(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、示波器進行的測試。
1. 測試元件示例
圖 TPS54360降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器(圖片來源：)
為了討論典型低功率DC-DC轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)設(shè)置和測試步驟，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，并將這個電壓范圍下變頻為0.8~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)范的每個參數(shù)，我們就可以確定驗證這些值所需的硬件。
2. 電流消耗
當(dāng)輸出一個作為輸入電池反饋電壓的電壓時，許多工程師會關(guān)注DC-DC轉(zhuǎn)換器消耗的電流。 兩個有用的電流參數(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載時消耗的電源電流。 為了分析這個特性，測試工程師可以監(jiān)測以100μV增量掃描電源電壓時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。
圖的靜態(tài)電流分析
表數(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μA，典型靜態(tài)電流為146μA。
構(gòu)建您自己的測試系統(tǒng)
測試電流消耗的一個理想選擇是NI PXIe-4139精確源測量單元(SMU)，如圖3所示。該模塊連接芯片后不僅能夠為芯片提供輸入電壓，而且可以測量芯片消耗的電流。 PXI-4139在1 μA范圍內(nèi)的電流測量分辨率100 fA，這個分辨率對于分析靜態(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)換器測試系統(tǒng)中使用這個精確電源來執(zhí)行編程輸出和掃描以及高準(zhǔn)確度測量。
圖3. NI PXIe-4139插入到測試系統(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PXIe-4139和擴展功能來創(chuàng)建這個PXI系統(tǒng)。 閱讀本文后，您將會了解如何使用所有必需的硬件來構(gòu)建一個完整的PXI系統(tǒng)，以進行DC-DC轉(zhuǎn)換器測試。
3. 施加負載
DC-DC轉(zhuǎn)換器是專為負載這一個器件供電而設(shè)計的。 在DC-DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，負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負載，就可以分析許多常見工業(yè)參數(shù)的特性，包括效率與負荷的曲線、直流線性調(diào)整率、DC負載調(diào)整率和電流極限測試。
直流線性和負載調(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，同時芯片的輸出保持在滿電流負載狀態(tài)時，輸出電壓會發(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負載調(diào)整率是指當(dāng)電源電壓保持穩(wěn)定且輸出負載從規(guī)定的最小額定電流變化到最大額定電流或者說滿負載時的輸出電壓變化，用mV/A或百分比表示。 負載調(diào)整率通常在電源電壓維持在額定輸入電壓時進行測量。 SMU可提供不同的負載，幫助您繪制類似于圖4的曲線圖來分析這一參數(shù)特性。
圖數(shù)據(jù)表中規(guī)定的直流線性(左)和負載(右)調(diào)整率
效率與負載曲線：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，效率與負載的曲線可以顯示DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率隨負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-負載曲線。
圖數(shù)據(jù)表中規(guī)定的直流負載調(diào)整率
電流極限測試： 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DC-DC轉(zhuǎn)換器不被損壞，您可以在測試過程中模擬這兩種情況。
構(gòu)建您自己的測試系統(tǒng)
所有這些測試都應(yīng)使用SMU來為DC-DC轉(zhuǎn)換器提供不同的電流負載。 PXI-4139的四象限運行功能意味著您可以使用第二個PXI-4139 SMU來為DC-DC轉(zhuǎn)換器提供負載，如圖6所示。PXI-4139可連續(xù)吸收高達12 W的電能，同時測量轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。
圖6. 將第二個PXIe-4139 SMU插入到測試系統(tǒng)的插槽3
借助SMU的硬件序列引擎和PXI機箱的內(nèi)置觸發(fā)功能，您可以同步兩個SMU的輸出和測量操作。 這可幫助您快速測試不同輸入電壓和輸出電流下的DC轉(zhuǎn)換器，如下圖所示，并使用硬件定時的輸出執(zhí)行大型序列。
圖7.使用NI SMU測試TPS54360的效率圖
4. 直流范圍和準(zhǔn)確度測試
構(gòu)建測試系統(tǒng)需要考慮的另一個性能標(biāo)準(zhǔn)是DC-DC轉(zhuǎn)換器的電壓準(zhǔn)確度測量。 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范圍測試：輸出電壓范圍是指DC-DC轉(zhuǎn)換器在滿負載的條件下可提供的電壓范圍。 如先前所討論的，輸出電壓會隨著所提供的輸入功率和負載的變化而變化。 因此，分析這一范圍參數(shù)的特性時，我們可以測量負載處于穩(wěn)定狀態(tài)時的轉(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。
DC準(zhǔn)確度測試：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行時輸出電壓的最大變化量。 準(zhǔn)確度會隨著溫度的變化和時間的推移而變化，它通常用一個預(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%。
表數(shù)據(jù)表規(guī)定的DC范圍規(guī)格
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PXI系統(tǒng)使用一個PXI-4139提供輸入電壓，并使用另一個PXI-4139充當(dāng)可編程負載。 因此，如果要分析之前所說的DC準(zhǔn)確度特性，唯一需要的測量是轉(zhuǎn)換器的輸入電壓。 第二個SMU負責(zé)測量該電壓，目的是防止在向DC-DC轉(zhuǎn)換器灌入電流時由于電壓過大而損壞硬件。 我們只需從硬件上讀取這個值即可。
在設(shè)計此測試系統(tǒng)時，請注意，電壓測量應(yīng)該在DC-DC轉(zhuǎn)換器沒有任何負載電流的輸出端上進行。 如果負載電流流經(jīng)測量輸出端導(dǎo)線，可能會導(dǎo)致測量結(jié)果偏差數(shù)毫伏。 測量設(shè)備準(zhǔn)確度時要記住的另一點是，測試設(shè)備的準(zhǔn)確度應(yīng)至少比待測設(shè)備高10倍。 若非如此，則我們測量的是測試設(shè)備的不準(zhǔn)確度，而不是設(shè)備的準(zhǔn)確度。
使用PXI-4139的遠程感應(yīng)功能即可同時解決這兩個問題。 遠程感應(yīng)是指直接測量UUT電壓的能力，這樣可避免導(dǎo)線電阻引起電壓降而導(dǎo)致測量誤差。 由于SMU遠程感應(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，這樣可減少導(dǎo)線電阻的影響，從而準(zhǔn)確地監(jiān)測負載電壓。
PXIe-4139能夠以高準(zhǔn)確度和高精度測量電壓，只需使用一個SMU模塊即可進行測量，而以前則需要一個額外的DMM才能實現(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，請參考上該設(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)換器在啟動時的電壓和電流響應(yīng)及其如何響應(yīng)線路和負載的變化，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)測電壓的變化，獲得類似于圖7右上角所示的曲線圖。
負載瞬態(tài)響應(yīng)： 相反地，如圖7左上方所示，負載瞬態(tài)響應(yīng)表示的是輸出電流負載變化后輸出電壓達到規(guī)定的準(zhǔn)確度所需的時間。 我們可以通過測試不同的幅值步長來充分理解負載瞬態(tài)響應(yīng)，這對于手機和數(shù)碼消費類產(chǎn)品測試非常重要。
啟動波形：通過PXIe-4139 1.8 MS/s的最高采樣率，我們可以測量DC-DC轉(zhuǎn)換器的最小接通時間。 該時間就是建立時間，或者輸出處于滿負載時輸出電壓達到指定準(zhǔn)確度所需的時間。 例如，當(dāng)輸入電壓從零增大至標(biāo)稱電壓時，輸出達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間就是最小接通時間。 TPS54360最小接通時間可在啟用EN引腳且Vin不為零時測量，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來源：轉(zhuǎn)換器生成的開關(guān)噪聲和線性電源紋波。 對于線性波紋，DC-DC轉(zhuǎn)換器電源提供了某種程度的紋波抑制;通過轉(zhuǎn)換器的殘余紋波會出現(xiàn)在負載上。 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)字化儀進行測量，使波紋尖峰中的所有主要諧波都包含在內(nèi)。
圖數(shù)據(jù)表中規(guī)定的負載瞬態(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)定的啟動波形(底部);
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傳統(tǒng)的瞬態(tài)和噪聲測試方法需要使用示波器，通過探針來測量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載瞬態(tài)響應(yīng)特性，而且可以避免增加另一個儀器導(dǎo)致的復(fù)雜性和成本。 圖8顯示的PXIe-4139 SMU正在測量TPS54360的負載和線性瞬態(tài)行為。 在這些測試中，SMU分別充當(dāng)了精確直流電源、外部負載和示波器。 外部負載在500 μs的脈沖內(nèi)從最大電流的25%增加到75%，SMU負責(zé)測量DC轉(zhuǎn)換器的電流消耗和電壓輸出。
注意： NI SourceAdapt技術(shù)能夠以快速上升時間實現(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負載和線性瞬態(tài)特性
對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PXI插槽中實現(xiàn)高達24位垂直分辨率或5 GS/s采樣率的高分辨率或高速測量。 例如，使用PXIe-5162 4通道5 GS/s 10位示波器探測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. 測試系統(tǒng)擴展和自動化
PXI架構(gòu)使得擴展測試系統(tǒng)的功能變得非常簡單。 您可以將任意數(shù)量的附加PXI模塊插入PXI機箱的其余插槽中。 測試DC-DC轉(zhuǎn)換器通常需要的一些硬件包括具有RF和混合信號測量功能能的PXI模塊、用于時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)議感知測試的基于FPGA的I/O。
通過NI軟硬件的緊密集成，您可以實現(xiàn)PXI測試系統(tǒng)自動化，通過準(zhǔn)確、可重復(fù)的定時來獲得一致的數(shù)據(jù)。 您可以使用NI LabVIEW軟件等開發(fā)環(huán)境來輕松編寫測試序列，然后借助現(xiàn)成可用的強大測試管理軟件NI TestStand來實現(xiàn)序列自動化，完成上面所說的所有參數(shù)測試。
圖11.擴展機箱示例
7. 推薦的硬件
PXI系統(tǒng)需要一個PXI機箱和一個集成控制器。
本系統(tǒng)所使用的硬件組件包括：
● NI PXIe-4139精確源測量單元
● NI PXIe-5162高速數(shù)字化儀
