完成電源模塊的設(shè)計(jì)后，需要如何測(cè)量呢

隨著電源技術(shù)的發(fā)展，電源模塊是開關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)。在電源模塊設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)是整體的核心，而測(cè)量則是一把標(biāo)尺。當(dāng)一切工作就緒之后，并不意味著結(jié)束，電源模塊性能的優(yōu)劣是值得關(guān)注的問題。

實(shí)際工作中，在結(jié)束了頗為關(guān)鍵的電源模塊設(shè)計(jì)后，你會(huì)做多少測(cè)試內(nèi)容?以下分享我在工作中，實(shí)際進(jìn)行的幾項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)試和分析流程，供大家參考。

1.概述

降壓型電源芯片是電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中并不可少的核心元件，由電源芯片組成的電源模塊提供電子產(chǎn)品使用的各種電源。對(duì)于車載產(chǎn)品，汽車蓄電池的電壓會(huì)在9V-16V之間變化，在這種情況下，電源模塊需要適應(yīng)蓄電池電壓和負(fù)載在變化的工況，如何對(duì)電源進(jìn)行測(cè)試就顯得很重要的，很多公司的電子產(chǎn)品關(guān)于電源模塊的測(cè)試，就是對(duì)著Datasheet給的參考電路和layout示例，簡(jiǎn)單測(cè)試下輸出電壓的紋波，電源效率就結(jié)束了。認(rèn)為電源模式的所有參數(shù)Datasheet都已經(jīng)標(biāo)示了，也沒什么可測(cè)，也改變不了什么參數(shù)的。實(shí)際BUCK電路有很多參數(shù)需要測(cè)試的，下圖是TI的一款BUCK電源芯片LM60440，滿足AECQ-100的車載要求。

在LM60440的Datasheet中，提供了效率曲線圖，啟動(dòng)時(shí)序圖，負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)圖，紋波電壓圖以及EMC測(cè)試圖等等參數(shù)，這些測(cè)試數(shù)據(jù)都是基于LM60440的EVM板測(cè)試得到的，是在工況比較好的情況測(cè)試的。對(duì)于實(shí)際的電子產(chǎn)品要根據(jù)具體的客戶要求和系統(tǒng)要求去測(cè)試。我們開發(fā)的一款產(chǎn)品中就用到了LM60440，降壓得到3V3的輸出電壓。完成原理圖設(shè)計(jì)后，打快板拿到Demo樣品后，主要從以下七個(gè)方面的維度完成對(duì)電源模塊的測(cè)試：

1.輸入電壓性能測(cè)試，包括冷機(jī)啟動(dòng)測(cè)試，使能電壓閾值測(cè)試;

2.輸出電壓性能測(cè)試，包括輸出電壓紋波測(cè)試，負(fù)載瞬態(tài)變化測(cè)試，環(huán)路穩(wěn)定性測(cè)試;

3.時(shí)序測(cè)試：開機(jī)時(shí)序，關(guān)機(jī)時(shí)序;

4.保護(hù)功能測(cè)試：過壓保護(hù)，過流保護(hù)，短路保護(hù)，過溫保護(hù);

5.效率測(cè)試;

6.PWM開關(guān)頻率測(cè)試;

7.關(guān)鍵元件耐壓測(cè)試，主要包括MOSFET,DIODE,電感,輸入電容，輸出電壓;

完成以上七個(gè)方面的測(cè)試，可以基本反映出電源模塊的性能優(yōu)劣。下面將測(cè)試中的七個(gè)方面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和Datasheet中的數(shù)據(jù)做一個(gè)對(duì)比分析，供大家討論，看看其他壇友在電源設(shè)計(jì)中有多少測(cè)試內(nèi)容。

2.測(cè)試實(shí)例的分析

2.1 輸入電壓性能測(cè)試

2.1.1 冷機(jī)啟動(dòng)測(cè)試

冷機(jī)啟動(dòng)測(cè)試一般稱為cold-trank測(cè)試，這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候，需要蓄電池大電流工作，從而造成蓄電池電壓快速跌落。關(guān)于這類的工況的有相應(yīng)的測(cè)試規(guī)范，比如ISO 7637-2 (test pulse 4)，如下圖。在cold-trank的測(cè)試過程中，即使蓄電池電壓跌落，車載的電子產(chǎn)品，比如導(dǎo)航、娛樂、儀表盤等設(shè)備依然需要保持安全可靠的功能，這就對(duì)電源模塊提出了更高的要求。

在我們的產(chǎn)品中根據(jù)客戶要求，使用的是如下的測(cè)試規(guī)范，相對(duì)更加嚴(yán)苛一些。

關(guān)于這一項(xiàng)測(cè)試，在LM60440的Datasheet中沒有體現(xiàn)出來。在我們的產(chǎn)品測(cè)試中，是符合測(cè)試要求的。在輸入電壓跌落過后，輸出電壓也跌落，但在一定時(shí)間(小于10ms)可以重新輸出，符合系統(tǒng)需求的定義。

2.1.2 使能閾值測(cè)試

LM60440的使能(EN-Pin)控制芯片的啟動(dòng)和關(guān)斷，該pin的輸入電壓是有精確閾值控制，通過外部其他電源電壓控制(一般是選用3.3V的LDO控制)。在實(shí)際產(chǎn)品測(cè)試中得到了和Datasheet中一致的閾值電壓。

2.2.輸出電壓性能

2.2.1 輸出電壓紋波測(cè)試

電壓紋波(ripple voltage)基本都會(huì)測(cè)試，空載輕載重載情況下測(cè)試到的數(shù)據(jù)都不一樣。電感輸出電容選型不一樣，也會(huì)造成電壓紋波的測(cè)試數(shù)據(jù)的不同。如何降低電壓紋波就不在這里展開，很多資料都有介紹。這里主要討論電源模塊設(shè)計(jì)完成后，如何進(jìn)行測(cè)試。輸出電流3A的情況下，測(cè)試的紋波電壓有38mV,比Datasheet中的參數(shù)60mV要小。

2.2.2 負(fù)載瞬態(tài)變化測(cè)試

在負(fù)載突然跌落和加載的時(shí)候，會(huì)造成輸出電壓過沖和跌落的現(xiàn)象。在實(shí)際測(cè)試中對(duì)于這種測(cè)試的時(shí)候，輸出電壓過沖和跌落幅度有要求，是不能超過5%*Vout。輸出電流是在0.28A到2.8A的變化，過沖和跌落電壓是85mV和115[size=14.6667px]mV，都是小于3.3*0.05=165[size=14.6667px]mV。在空載輕載的時(shí)候，輸出電壓紋波會(huì)小一些。

2.2.3 環(huán)路穩(wěn)定性測(cè)試

電源系統(tǒng)一般是負(fù)反饋，環(huán)路沒有設(shè)計(jì)后，輸出電壓會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，在工程設(shè)計(jì)中，要求相位余量大于65度，增益余量大于10dB，在負(fù)載電流是2.8A的情況下，使用Bode100對(duì)電源系統(tǒng)的環(huán)路進(jìn)行測(cè)試，得到相位余量是82度，增益余量15dB。環(huán)路系統(tǒng)是穩(wěn)定的。關(guān)于這個(gè)測(cè)試項(xiàng)目，在Datasheet中沒體現(xiàn)，實(shí)際產(chǎn)品是很有必要測(cè)試的。

很多芯片是專門的環(huán)路補(bǔ)償comp-pin，用于在環(huán)路不穩(wěn)定的時(shí)候進(jìn)行補(bǔ)償。LM60440沒有環(huán)路補(bǔ)償pin，如果環(huán)路不穩(wěn)定的時(shí)候，可以在反饋回路增加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。如上圖原理圖中的Cff，也可再串聯(lián)電阻。根據(jù)具體電路進(jìn)行調(diào)整

2.3 開關(guān)機(jī)時(shí)序

2.3.1 開機(jī)時(shí)序

在電源產(chǎn)品中，開機(jī)時(shí)序是要嚴(yán)格和Datasheet中對(duì)應(yīng)的，但是可以調(diào)整軟啟動(dòng)的時(shí)間，從而滿足不同項(xiàng)目的需求。測(cè)試得到的數(shù)據(jù)和Datasheet保持了一致。

2.3.2 關(guān)機(jī)時(shí)序

關(guān)機(jī)時(shí)序相對(duì)開機(jī)時(shí)序沒有那么嚴(yán)苛，所以在Datasheet中沒有測(cè)試，但是我們實(shí)際的產(chǎn)品完成了測(cè)試，然后和LM60440提供的EVM的關(guān)機(jī)時(shí)序做了對(duì)比，是一致的。

2.4 保護(hù)功能測(cè)試

2.4.1 過壓保護(hù)測(cè)試(OVP)

對(duì)于電源芯片是不能過電壓使用的，超過電源芯片的最大輸入電壓，會(huì)導(dǎo)致芯片過壓損壞的。

有的電源芯片是有OVP閾值電壓，最大絕對(duì)值電壓(該電壓即為芯片的過壓損壞值)，LM60440是沒有OVP閾值電壓，之前用到的另一款電源芯片有的，當(dāng)輸入電壓超過OVP閾值，輸出電壓就降低為0，同時(shí)診斷pin的標(biāo)志位翻轉(zhuǎn)。

2.4.2 過流保護(hù)測(cè)試(OCP)

利用電子負(fù)載施加超過電源芯片的最大輸出電流，會(huì)產(chǎn)生OCP，保證輸出電流和輸出電壓在正常的工作范圍;

2.4.3 短路保護(hù)測(cè)試

利用測(cè)試治具，將輸出短路。電源芯片檢測(cè)到瞬間過電流，會(huì)關(guān)閉輸出。保證電源模塊的正常工作。

2.5 效率測(cè)試

電源模塊會(huì)產(chǎn)生各種損耗，比如MOSFET開關(guān)損耗，導(dǎo)通損耗，電感直流損耗，交流損耗等等。從而造成輸出效率的變化。因此客戶會(huì)要求最低的效率比。LM60440在不同輸入電壓情況下，重載的時(shí)候基本都可以達(dá)到90%以上的效率。

在實(shí)測(cè)的時(shí)候，效率會(huì)比Datasheet的要低一些。輸出電流增大的情況下，效率會(huì)更高的

VinIinVoutIoutEfficiency

70.373.30.70.891891892

80.323.30.70.90234375

90.293.30.70.885057471

100.263.30.70.888461538

110.243.30.70.875

120.223.30.70.875

130.23.30.70.888461538

140.193.30.70.868421053

2.6 PWM開關(guān)頻率測(cè)試

LM60440的工作模式會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化，會(huì)在PFM,DCM,CCM幾種模式之間切換，從而滿足負(fù)載電流的需求。PWM開關(guān)頻率也隨之發(fā)生變化。

2.7 關(guān)鍵元件耐壓測(cè)試

LM60440是內(nèi)置MOSFET的，芯片SW-pin和電感的節(jié)點(diǎn)處電壓會(huì)一直加載在MOSFET的漏級(jí)。PWM開關(guān)過程會(huì)產(chǎn)生overshoot電壓，測(cè)量得到的過沖電壓最大值是8.6V，該過沖電壓不能擊穿內(nèi)部MOSFET，如果要降低過沖電壓，可以增加snubber電路加以抑制。

輸出電容一般選擇MLCC，需要考慮紋波電流不要超過MLCC的額定值，否則會(huì)讓MLCC發(fā)熱。下圖是MLCC的紋波電流，90mA左右，MLCC的ESR也比較小，不會(huì)產(chǎn)生太大的發(fā)熱。

3. 小結(jié)

完成以上的測(cè)試，測(cè)試值都滿足了系統(tǒng)需求和客戶需求。隨后還需要進(jìn)行EMC方面的測(cè)試，TI提供的LM60440的EVM板進(jìn)行EMC測(cè)試，都是通過的，余量很大。但在具體產(chǎn)品中，不僅僅只有這一路電源，還有BOOST電路，所以Datasheet提供的EMC數(shù)據(jù)僅僅是做參考。即使產(chǎn)品的EMC測(cè)試失敗，一般也不會(huì)僅僅是電源模塊的問題，需要從整個(gè)電路板的角度定位干擾源和輻射源，然后對(duì)應(yīng)的改進(jìn)。

在完成研發(fā)層面的2PCS測(cè)試后，隨后將電路板轉(zhuǎn)交TQE部門，進(jìn)行高低溫，濕度以及壽命等耐受性實(shí)驗(yàn)。

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審核編輯：湯梓紅